离子液体辅助制备用于锂离子电池负极的氧化锡/碳复合材料

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目前,商用的锂离子电池(LIBs)负极材料以碳材料为主,存在着初始不可逆的容量损失大及循环比容量较低等缺点。氧化锡具有1494 mA h g-1的高理论比容量和约0.6V(vs Li+/Li)的低电压等优点,已成为最有前景的商业化负极材料的候选之一。然而,氧化锡存在着有限的电导率,较差的离子传输动力学和大量的体积变化等问题。通常有两种策略来改善上述问题:1.设计和构建纳米结构的氧化锡,例如纳米球,纳米线和中空结构,通过减少内部应力来防止巨大的体积膨胀;2.引入碳质材料作为涂层和抵抗体积应变的稳定框架,并增强氧化锡材料的电导率。同时采用这两种措施以最大程度地提高电子/离子传输和SnO2基负极的结构稳定性。但是,要获得氧化锡与碳材料的理想结合,仍然存在艰巨的挑战,包括氧化锡纳米颗粒的聚集、与碳的界面相容性差,以及碳的疏水性。界面接触效率低和相互作用弱导致氧化锡-碳基复合材料具有不良的纳米结构。因此,有效改性氧化锡-碳界面成为实现构建理想的纳米结构的关键途径,进而获得优异的电化学性能。离子液体由于其特殊的结构在作为溶剂进行复合物制备时能够起到聚合、修饰等功能化的作用。因此可以通过离子液体辅助制备理想界面的氧化锡-碳复合材料。本文首先通过离子液体(IL,1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐)对氧化石墨烯和碳纳米管两种碳材料进行改性处理,研究离子液体的作用效果。最终选择碳纳米管作为与氧化锡复合的碳基底,即在改性后的碳纳米管上包覆氧化锡。成功地构建了氧化锡纳米粒子均匀且牢固接枝在碳纳米管上的纳米结构,该复合物称为SnO2@IL-CNTs。研究表明:1.通过离子液体对石墨烯和碳纳米管进行改性,并对制备的复合物进行表征。离子液体一方面可以通过与碳环的大π键产生π-π和阳离子-π相互作用,牢固的结合在碳结构表面;另外还可以一定程度上分散碳材料,抑制团聚。同时,离子液体改性后的碳纳米管表面会引入更多的缺陷位点,便于后续的金属氧化物的复合和Li+的嵌入和脱嵌。因此文中后续采取碳纳米管作为碳基底。2.通过溶胶凝胶法制备得到SnO2@IL-CNTs,IL可以与金属氧化物颗粒和碳材料发生相互作用,并对二者进行界面改性,从而大大促进SnO2中电子/离子的传输,同时防止SnO2在锂化过程中的连续体积变化。当用作LIB的负极时,SnO2@IL-CNTs呈现高的可逆比容量和倍率性能,以及出色的循环稳定性。同时,随着充放电过程的进行,更多的Li+吸附在电极界面,使得电池呈现电容性,因此电池的比容量表现出逆增长。
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