锂离子电池氧化锡基负极材料的制备及电化学性能研究

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锂离子电池是市场上应用最广的储能和供能系统,且随着其应用范围扩展至大型用电设备,市场对锂离子电池能量密度提出了更高的要求。提高负极材料容量是提升电池整体能量密度的重要手段。锡基材料是一种典型的高容量负极材料,但是,其在嵌/脱锂过程中剧烈的体积变化严重影响了电池循环寿命,制约了其在锂离子电池中的应用。为解决锡基材料体积膨胀引起的循环寿命短的问题,本课题以氧化锡为研究对象,通过制备锡-钼复合氧化物及对氧化锡进行元素掺杂两种手段改善氧化锡负极的循环稳定性能。首先,通过简单的溶剂热法制备得到碳/锡-钼复合氧化物(C/SnOx/MoOy)。电化学测试结果表明:充放电过程中,锡和氧化钼之间不同的对锂电位使二者互为体积支撑材料,进而维持电极的结构稳定性和循环稳定性;碳材料的引入可有效提高电极的导电性及赝电容贡献,进而提高电极的循环稳定性能和倍率性能:500次循环后,0.5Ag-1,1.0Ag-1和2.0A g-1电流密度下,C/SnOx/MoOy的可逆容量分别为836.6,734.0和605.3 mAhg-1。其次,以钼酸钠为原料,通过简单的水热法对氧化锡进行钼阳离子掺杂(Mo-doped SnO2)。测试结果表明,钼掺杂可减小二氧化锡纳米颗粒粒径及电极电荷转移电阻,有利于电极内部电荷传输;同时可改善二氧化锡电化学反应可逆性,进而提高其容量。但是,Mo-doped SnO2负极在前期循环中经历容量快速下降阶段,且首次库伦效率非常低。实验通过静电纺丝法将上述Mo-doped SnO2纳米颗粒分散进聚丙烯腈/聚乙酸乙烯酯纳米纤维中,并通过后续高温退火过程将氧化物纳米颗粒原位还原,且在其周围构建孔隙(SnMoCNF)。碳纳米纤维及纤维内部孔隙可有效抑制/容纳循环过程中锡纳米粒子的体积膨胀,进而改善电极的电化学性能。最后,以红磷为原料、PVP为碳源,通过简单的溶剂热法制备P-doped SnOx/C复合物。电化学测试结果表明:碳材料可有效改善电极的循环稳定性能,而磷掺杂可通过提高氧化锡转化反应可逆性提高电极容量;因此,当电极内部同时存在碳与磷时,P-doped SnOx/C负极表现出最优的电化学性能。
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