锑基钠离子电池负极材料制备及性能研究

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在近几年发展起来的可充电电池中,锂离子电池以其优异的性能在电子工业和电子产品中得到了广泛的应用,作为锂离子电池替代品之一的钠离子电池,具有更低廉的成本和更高安全性能的优势。目前,钠离子电池的发展在一定程度上受到了负极材料的限制,探索高容量及循环性能优异的储钠负极材料成为当前钠离子电池领域的研究热点。在众多钠离子电池负极材料体系中,合金型材料具有很大的理论比容量和低的工作电压平台,元素周期表中第IV主族(Si、Ge、Sn等)和第V主族(P、Sb等)的元素是这种材料的研究热点,其理论比容量是碳材料的几倍甚至是几十倍。其中锑基负极材料本身具有较高的理论容量(660mAh/g)和低工作电压(<1V)电子导电性高,无毒低成本,高可逆合金化/脱合金化等优势,已成为研究人员关注的焦点。然而,基于锑基材料在电池充放电过程中伴有体积膨胀,循环库伦效率低和循环性能差,因此构筑锑基材料的结构多样性是非常有必要的。本文主要研究内容如下:(1)基于钠离子电池过渡金属负极材料自身存在的高容量和低循环性能的特性,采用化学共沉淀法制备80nm粒径左右的纳米合金颗粒和与还原氧化石墨烯复合的材料,对比不同反应温度探究合金体系形貌的变化趋势,并作为负极材料进行电化学性能测试。作为钠离子电池的负极,SbSn@rGO在电流密度为1500mA/g时,初始放电容量为700 mAh/g,充电容量为620 mAh/g。经过200次循环,制备的复合材料在150 mA/g电流密度下的放电能力为260 mAh/g。(2)采用水热法制备了Sb2S3纳米线簇,并作为钠离子电池的负极材料进行电化学性能测试分析。探究了在不同的水热温度条件下对纳米线形貌结构的影响。Sb2S3纳米线簇具有较大的比表面积和高长径比,能缩短钠离子传输距离,线与线之间具有较高的位错密度,提升了电荷转移和电子导电性,电化学循环时的应变弛豫能有效缓解钠离子电池在充放电时产生的较大体积变化,提升了钠离子电池的倍率性能。当其作为负极材料时,在电流密度为1200 mA/g时,初始放电容量为487 mAh/g,经过100次循环,放电容量为368 mAh/g。(3)采用了水热法制备了具有多层空心核壳结构的Sb2O3@C@SnO2复合材料。碳壳层作为中间层,有效地缓冲了内部金属氧化物的体积膨胀,保持了整体结构完整性。通过对在不同温度下煅烧制备的样品微观结构和成分分析,明确了温度对其关键结构的影响趋势。将样品用作钠离子电池负极材料进行电化学性能测试。在电流密度为1500 mA/g时,初始放电容量为476 mAh/g,充电容量为395mAh/g。经过50次循环,制备的复合材料在150 mA/g和1500 mA/g电流密度下的放电能力分别为488 mAh/g和295 mAh/g。
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