二氧化锡—碳基复合材料在锂离子电池中的应用

作     者：汪文峰 

作者单位：上海大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈志文

授予年度：2015年

学科分类：081704[工学-应用化学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：二氧化锡 石墨烯气凝胶 无定形碳 纳米复合材料 锂离子电池 

摘      要：近年来,随着电子通信行业的快速发展,人们对化学储能设备的关注与日俱增,而锂离子电池由于其能量高、倍率性能优越、成本低、环境友好等优势,在便携式电子设备中应用广泛。目前商用的锂离子多是以石墨为负极材料,其理论容量只有372 m Ah·g-1,石墨较低的容量限制了锂离子电池的应用。二氧化锡(Sn O2)基负极材料由于其具有较高的理论比容量(782 m Ah·g-1)等优点受到研究者的广泛关注。但是Sn O2材料面临一些问题亟待解决,如:在锂离子嵌入和脱出过程中,二氧化锡会产生巨大的体积膨胀,导致电极材料粉化,使锂离子电池容量急剧衰减。本课题以二氧化锡为研究对象,通过改变二氧化锡形貌(如量子点、中空球形)和使用碳材料包覆(如无定形碳、石墨烯)这两种方法相结合来提高二氧化锡的电化学性能。本论文主要包括以下几个方面:(1)用改性的Hummer法制备氧化石墨烯,利用氧化还原法制备球形锡单质,然后以氧化石墨烯和球形锡为前驱体,通过不断改变氧化石墨烯浓度、盐酸的用量,成功制备出二氧化锡/石墨烯气凝胶,通过扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附脱附等表征,结果表明:制备出的样品呈三维多孔交联结构,二氧化锡量子点(约5nm)均匀负载在石墨烯上,且样品的比表面积较大(约364.04 m2·g-1)。(2)利用电子加速器辐照制备出的二氧化锡/石墨烯气凝胶(采用不同的辐照剂量),然后通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外(FTIR)等表征发现:辐照后样品的结晶性增强。应用LAND等进行电化学性能测试表明:电子束辐照后,二氧化锡/石墨烯气凝胶的循环性能均在一定程度上增强,辐照剂量约280k Gy时性能改善明显。(3)利用简单的超声辅助水热法,以葡萄糖为碳源,球形锡单质为模板,成功制备出了碳包覆二氧化锡球形结构,采用真空煅烧和空气煅烧两种方式后处理,通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征,结果说明:真空煅烧制备出微米大小的碳包覆二氧化锡中空刺球和碳/二氧化锡/碳球形结构。氮气吸附脱附表征结果表明,这种结构比表面积较大,为活性物质提供了更多的活性位点。同时球形锡既是反应物,又起到模板作用,这避免了去除模板的繁琐步骤,又保护了环境。电化学测试结果表明,碳包覆结构能有效提高二氧化锡的电化学性能。