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目前商业化锂离子电池负极材料均为碳材料,因为良好的安全性、稳定的充放电性能、成本低廉而得到广泛应用。但其理论容量(372mAh／g)有限,已不能满足新一代大型电子设备的需求。SnO2由于具有较高的理论容量(782mAh／g),是极有前景的新一代负极材料。氧化锡材料比容量高,但充放电过程存在着严重的体积膨胀,导致循环衰减较快,本文主要采用碳包覆的方法来改善氧化锡的循环性能。
1)以商业化的SnO2,鳞片石墨(GT)和碳纳米管(CNT)为原料,通过高能球磨法制备了SnO2／石墨／CNT复合材料。扫描电镜(SEM)显示:球磨后的SnO2颗粒明显细化,尺寸从微米级别降到了纳米级别,并有效的嵌入到石墨层中,同时,CNT也均匀的分散在复合材料当中,形成了良好的导电网络。实验得出,SnO2／GT／CNT复合材料展现了良好的电化学性能。100mA／g的电流密度下循环25周后,复合材料的比容量为431mAh／g,库仑效率保持在95％以上。石墨起到了缓冲体积膨胀的作用,而CNT作为优良导电剂的同时,其特殊的的管状结构和较大的比表面积,能够有效吸收和储存电解液,并改善电极抵抗破坏的能力。
2)分别以液相沉淀法(L-SnO2),溶胶凝胶法(S-SnO2)和熔融盐法(M-SnO2)制备了氧化锡粉末。XRD谱图与标准卡片完全对应,说明合成的SnO2有着较纯的正四面体金红石结构。充放电测试表明液相沉淀法制备的L-SnO2颗粒具有最好的循环性能,循环30周后,容量保持在262mAh／g。这是由于L-SnO2颗粒具有规则的有凹槽的棱柱孔状结构,该结构在一定程度上缓解体积膨胀。另外,以5％,10％和15％碳纳米管作为导电剂试图改善L-SnO2的电化学性能。碳纳米管良好的导电性可以提升活性物质的倍率性能,但较大的比表面积也会导致更多的不可逆容量损失。
3)以液相沉淀法制备了配比不同的SnO2／CNT复合材料,进一步提升锡基材料的电化学性能。当Sn和C的摩尔比为0.5时,复合材料表现了良好的循环性能和倍率性能。比较了SnO2和SnO2／CNT循环30周后的表面形貌,SnO2样品表面存在着大量的裂痕,这是由于充放电过程中体积变化导致的；而SnO2／CNT样品表面基本保持平整,说明碳纳米管在体积变化中起着很好的缓冲作用。另外,考察光亮铜箔和泡沫镍两种不同集流体对复合材料的影响。结果表明:具有三维结构的泡沫镍样品有着更好的循环性能,泡沫镍粗糙的表面和镍网间的大量空隙,有效提高了活性物质和集流体的结合力,使活性物质不易掉落。针对锡基材料体积变化的特点,设计和改进集流体的形状,也是提高复合材料循环稳定性的有效途径。