单/双壳层SnO2@C纳米空心球多级结构的设计制备及其高效二次锂离子电池负极的储能研究

作     者：李晓 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王煜

授予年度：2016年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：锂离子电池 锡基负极材料 双壳层 SnO2 碳包覆 

摘      要：近年来,伴随科学技术的不断创新,便携式电子设备、电动运输等新兴领域得到了飞速发展。因此,这些新产品对于电动能源的需求和依赖与日俱增。锂离子电池作为一种新能源设备正是凭借其超高的容量密度、杰出的功率密度以及稳定的循环性能等诸多优势得以脱颖而出,获得世界范围内的广泛关注。众所周知,锡基负极材料作为下一代锂离子电池的负极材料得到了广大科研工作者的一致认可。那是因为其理论容量高达992 mA h g-1,这几乎是现如今使用的商业化石墨负极材料(372 mA h g-1)的两倍多。所以,锡基负极材料的改性,尤其是对其形貌的调控得到了广泛的研究和报道。目前,合成形貌多变、纯度高且结晶性良好的晶体材料的主要方法是水热合成法。本论文中的双壳层SnO2@C纳米空心球、单壳层SnO2@C纳米空心球和双壳层SnO2纳米空心球都是采用多步水热合成的方法制得。合成采用了模板法,其中核-壳结构的SiO2模板发挥重要的作用。随后,我们将这些合成的锡基材料应用到锂离子电池上并测试了它们的电化学性能。课题中得到的主要结论如下:(1)通过对核-壳结构SiO2的形貌表征,我们推测出了SiO2胶球向核-壳结构转变的可能原理。从形貌的变化过程可以清楚的看到SiO2内部核的消融与外部壳层的生长这两个过程是单独且并发的。在整个过程中,NaBH4起到了至关重要的作用。反应开始,NaBH4会和H2O发生缓慢的反应,并产生出NaBO2和H2。一方面,这一反应会使体系呈碱性,因此SiO2很容易在碱性溶液中发生溶解,比如SiO2在NaOH溶液中的溶解。另一方面,单硅酸盐和聚硅酸盐类大量释放到体系中,最终会达到过饱和的程度。同时,NaBO2的量也会伴随着NaBH4的反应而增加。这些导致SiO2再次沉淀到正在溶解的内部核表面,形成壳层结构。(2)双壳层SnO2@C纳米空心球具有诸多杰出性能。内部活性壳层的引入可以提高材料的体积比容量。双碳层包覆不仅可以保护材料结构的完整性而且可以增加材料的导电性。更重要的是材料本身又具有多孔结构,既可以提供电解液自由穿梭壳层内外的通道,又可以缓解电极反应带来的体积效应。同时,材料具有较大的比表面积,可以很大程度上提高活性材料与电解液的接触面积,也可以提供更多的锂离子附着点,这样就可以提高材料的实际容量。很多优点都得到了实验的验证。本论文制备的双壳层SnO2@C纳米空心球相对于单壳层SnO2@C纳米空心球和双壳层SnO2纳米空心球具有更加优越的倍率性能、更加稳定的循环性能(循环100圈后具有911 mA h g-1的容量)和更高的比容量。