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锡（锑）氧化物/碳纳米纤维制备及其锂/钠电性能研究

锡（锑）氧化物/碳纳米纤维制备及其锂/钠电性能研究

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作者：赵得帅天津工业大学

学位级别：硕士

锂离子电池快速增长的需求,致使对其性能提出了更高的要求,代替石墨材料的更高性能负极材料的开发倍受关注。此外由于资源的限制和大规模储能的需要使得钠离子电池的研究更加深入,高性能钠离子电池负极材料的研究也倍受关注。合金型负... 详细信息

锂离子电池快速增长的需求,致使对其性能提出了更高的要求,代替石墨材料的更高性能负极材料的开发倍受关注。此外由于资源的限制和大规模储能的需要使得钠离子电池的研究更加深入,高性能钠离子电池负极材料的研究也倍受关注。合金型负极材料具有较高的理论容量,但其在合金/脱合金过程中会发生严重的体积膨胀,造成容量迅速衰减。构筑纳米合金/碳复合材料是兼顾高容量和高循环性的有效途径。本论文以两种合成纳米合金前驱体(锑金属有机骨架（Sb-MOF）和锑掺杂氧化锡（ATO）)配制纺丝液,通过静电纺丝技术分别制备了Sb/碳纳米纤维复合材料（Sb-MOF@CNF）和锑掺杂氧化锡/碳纳米纤维复合材料（ATO@CNF）,探究了活性物质含量和组分对形貌结构及其储锂/钠性能的影响。主要研究内容与结论如下:（1）采用共沉淀法制备了Sb-MOF纳米片,通过静电纺丝、预氧化和碳化等工艺制备出Sb/碳纳米纤维膜（Sb-MOF@CNF）。Sb-MOF@CNF中Sb的存在形式为单质Sb和SbO。随着Sb-MOF添加量的增加,Sb-MOF@CNF表面出现凸起,微孔数量和比表面积均下降。当Sb-MOF/PAN比例为1:2时,纤维表面光滑且无明显凸起部分,所得Sb/碳纳米纤维表现出最优的储锂/钠性能。其作为锂电负极,在4 A g电流密度下的可逆比容量为352.5 m Ah g,1 A g电流密度下循环500次后可逆比容量为386 m Ah g,容量保持率为82.3%;其作为钠电负极,在4 A g电流密度下的可逆比容量为226.1m Ah g,1 A g电流密度下循环500次后可逆比容量为218.3 m Ah g,容量保持率为83.8%。（2）利用异相共沉淀法制备了锑掺杂氧化锡（ATO）纳米颗粒,通过静电纺丝、预氧化和碳化等工艺制备出ATO/碳纳米纤维膜（ATO@CNF）。随着负载量的增加,ATO逐渐暴露在纤维表面,复合纤维的微孔数量与比表面积降低。Sb掺杂能够有效提升Sn O电化学性能。当ATO/PAN比例为1:2时,纤维表面无明显凸起,其作为锂电负极,在4 A g的电流密度下可逆比容量为509.8m Ah g,1 A g电流密度下循环1000次后可逆比容量为455.2 m Ah g,容量保持率为87.3%;作为钠电负极,4 A g的电流密度可逆比容量为146.9 m Ah g,1 A g电流密度下循环1000次后可逆比容量为229.6 m Ah g,容量保持率为100%。ATO能够提升复合材料的初始容量,但负载量过高会导致ATO暴露在纤维表面,碳纳米纤维对其体积膨胀限制作用减弱,导致电化学性能的降低。

关键词：锂/钠离子电池静电纺丝合金型负极材料碳基复合纳米纤维

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