锡基合金复合材料的设计合成及储钠性能的研究

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锡基材料因具有较高的理论容量、无污染等特点被认为是最有前景的钠离子电池负极材料之一,金属Sn单质的理论储钠容量为847 m Ah g-1。然而锡基负极材料在钠离子的脱嵌过程中会产生较大的体积变化,约为420%,进而会导致电极的粉化和脱落,造成容量的不稳定以及在充放电循环中的快速衰减,以上成为了合金类负极材料最普遍的问题之一。目前,解决以上问题主要有以下三种途径:纳米结构的构建、增加孔隙率以及异质结构的设计。以上方法均有助于提高电极结构的稳定性,提高电极材料的可逆容量、循环稳定性和倍率性能。本论文针对Sn-Co@C和Sn-Co@void@C的结构设计及其制备工艺的调控等开展研究,创新性成果如下:(1)通过共沉淀法和热致相分离法成功制备了SnO2/Co3O4复合前驱体,并探究其合成条件,实现了前驱体颗粒尺寸可控。研究表明,颗粒尺寸为150 nm左右的单分散立方体前驱体较适宜用作后续材料合成,该前驱体整体均匀完整,且棱角光滑、疏松多孔。(2)采用St(?)ber法成功制备了Sn-Co@C复合材料,与Sn、Sn-Co、Sn@C三种材料进行了电化学性能的对比,Sn-Co@C复合材料比其他材料有着更高的可逆容量和更好的循环稳定性。这是由于,碳壳在钠化的过程中不易破碎,为SEI膜的形成提供了稳定的表面,且提高了电极的导电性;在反应过程中金属Co保持不变,充当了缓冲物和电子导体,并将Sn隔离成微区,阻碍了Sn微粒间的团聚。(3)采用SiO2模板法成功制备了Sn-Co@void@C中空核壳型复合材料,通过与Sn@void@C、Sn-Co@C的形貌以及电化学性能的对比,发现Sn-Co@void@C复合材料与其它材料相比具有更优异的电化学性能,这说明该方法在碳壳内引入的自由空间进一步地容纳了活性材料的体积变化。(4)通过探究SiO2模板的用量、St(?)ber法中单体有机物分子的用量对核壳空间大小、碳层形貌厚度的影响规律进行探索,并研究其储钠性能,在不同用量下对于核壳结构产生的不同电化学性能进行分析,进而优化了该合成方法的制备工艺。
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