锂离子电池锡基和硅基负极材料的研究

作     者：王炤东 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：单忠强;刘雪省

授予年度：2017年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 锡负极 硅 化学镀 浸镀 

摘      要：随着人们对电池续航能力需求的提高,突破现有的锂离子电池能量密度成为了研究者们的研究重点。在负极材料方面,硅和锡的理论比容量高,合金化电位低,可以为全电池提供较高的工作电压。但循环过程中,硅和锡的体积变化较大。随着充放电的循环,材料体积会反复的膨胀收缩,从而引发活性物质的粉化和脱落,造成容量的迅速衰减。随着消费者对电池轻薄化要求的提升,锂离子电池薄膜负极成为了研究的热点。薄膜负极材料是指直接将活性物质沉积在集流体上而制成的电极,相比于传统的涂布式电极,薄膜电极中不存在粘结剂和导电剂,活性物质的含量高,研究薄膜负极材料对全固态电池,微型电池,可穿戴设备的发展具有重要的意义。本文采用连续化学镀锡法以铜箔为基体制备了Sn薄膜负极。通过改变反应时间和镀液浓度,对电极进行了研究。反应时间和镀液中SnCl的浓度并未改变镀液的组成,但影响了镀层的重量,形貌和循环性能。由于镀层致密,无法抑制巨大的体积效应,因此循环性能的衰减比较严重。在此基础上,本文采用置换法制备了CuSn/Sn薄膜电极,通过改变反应时间和SnCl浓度研究了电极形貌,组成,含量和电化学性能的变化情况。相比于连续镀锡制成的薄膜,该方法所制电极的性能有了很大提升。当反应时间为30 min,SnCl浓度为6.5 g L时的循环性能最好,循环70次后的容量为0.84 mA·h·cm。这是因为该电极可以有效地为体积效应预留出足够的空间,而且相对紧密的堆积方式可以防止颗粒从集流体上脱落。另外,为了得到更高锡沉积量的3D电极,本文以比表面积高的泡沫铜为基体,采用置换法制备了Cu-Sn电极,该电极循环100次后的容量为0.71 mA·h·cm。本文采用化学镀法以不同规格的硅粉作为基体进行了表面镀镍和镀锡处理,并进行了一系列物理和电化学表征。随着化学镀时间的延长,材料的循环性能在逐渐提升。其中纳米硅粉镀镍15 min时材料循环100次后的容量为391.1mA·h·g。另外本章也对硅表面镀锡材料进行了初步研究,结果发现,在硅镀锡反应中,化学镀法常用的Pd活化步骤不是反应的必要过程;另外,在镀液中加入了CTAB后,材料的团聚和结块现象明显减少,循环性能也得到了一定提升。