锡基电池电极材料的调控与研究

作     者：高雅楠 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘奕帆

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：储能 锂电池 锡基 体积优化 快速迁移 

摘      要：随着社会的发展,环境污染和资源短缺等问题日益显现在人类生活的各个方面,这已经不能很好的适应国家可持续发展的需求。为响应当今社会“碳中和的要求,保护人类共同的家园,开发新能源和可持续能源存储设备迫在眉睫。锂离子电池作为较为理想的储能方式受到广泛的关注,其中锂离子电极材料是为未来绿色低碳生活以及经济发展提供可持续动力的关键。现阶段储能电池使用的商业负极是石墨,理论容量有限(372 m Ah g),且反应过程中受离子扩散速率的影响,倍率性能差。因此寻求可替代石墨的负极材料应用于储能设备中变得十分重要。锡基材料因为其是一种典型的高容量负极材料,具备充放电电压平台合适,绿色环保,低成本,储量丰富等特点,是下一代候选负极材料之一。美中不足的是锡基材料导电性较差,并且嵌/脱锂过程中会发生剧烈的体积变化,导致循环性能差,这严重影响了电池的稳定性和循环寿命。因此也限制了其在锂离子电池中的广泛应用。为解决锡基材料体积膨胀引起的循环寿命短等问题,减小颗粒尺寸或调控形貌去抑制其在充放电过程中体积膨胀,以及和碳材料复合能缓解锡基材料问题。对其储能机理进行研究,也是提高电化学性能的有效措施。本文在调研大量研究者对电池锡基负极材料的研究基础上,主要研究具有高比容量的SnO复合碳材料,SnS复合二维材料Mxene的物相结构,微观结构,电化学性能和储锂机制等。为获得具有优良循环性能的锂离子电池负极材料提供思路。本论文主要包含以下几个研究内容:1、在SnO体系中,通过简单的水热法制备Sn-MOF后,对其行烧结获得纳米SnO颗粒,随后与导电性优异的CNTs和支撑性强的纳米Zr O球磨制备出SnO/C/Zr O复合材料。通过材料表征和电化学性能测试,结果表明本论文减小二氧化锡纳米颗粒粒径,有利于电极内部电荷传输。同时能改善二氧化锡电化学反应可逆性,有效提高了材料的结构稳定性和导电性,并展现了优异的电化学性能。利用固体核磁共振,电子顺磁技术深入研究了SnO/C/Zr O复合材料在锂离子储能的反应机理。2、在SnS材料中,通过调控合成中空的结构并且和二维过渡金属碳化物或氮化物(Mxene)复合冷冻干燥,通过材料表征和电化学性能测试,结果表明这种方法不仅能最大化的保持SnS不塌缩的状态,而且在循环过程中也能发挥中空稳定结构和复合的优势。使得电子/锂离子的扩散距离减小,拥有更多的电化学反应活性位点。对于Mxene材料来说,SnS的插入可增大M-TiC的层间间距,展现了更多的Li活性位点,具有了更高的离子迁移率,电池循环过程中的电导率也明显提升。二者协同作用,实现了理想的电化学性能。