锂离子电池锑基负极材料合成及电化学性能研究

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在众多电化学储能器件中,锂离子电池由于具有高能量密度、长循环寿命、绿色环保、便携等优点被广泛应用于日常生活中。但是,目前商业化锂离子电池使用石墨负极材料,因其较低的理论比容量(372 mA h g-1)已经不能满足人类社会对高能量密度储能器件的需求。与石墨负极相比,锑基负极材料具有较高理论比容量(660 mA h g-1)和较安全的嵌锂平台(0.5-0.8 V)。然而,在不断的充放电过程中,锑基材料具有严重的体积膨胀(>150%),容易造成材料结构坍塌,进而导致电池容量衰减过快。因此本研究课题主要从碳包覆、合金化两个方面对锑基材料进行优化,以提高锑基材料的电化学性能。主要使用冷冻干燥、高温煅烧、氯化钠为模板等方法合成Sb@C/EG复合材料、NiSb/C碳纳米片复合材料、SnSb/N-C碳纳米片复合材料,并对其进行表征和电化学性能测试,主要研究内容及结果如下:(1)利用冷冻干燥和高温煅烧法合成Sb@C/EG复合材料,Sb@C颗粒均匀的嵌入在石墨片层内,包覆碳层能显著增加材料导电性的同时有效缓解金属锑体积膨胀,维持材料的结构稳定性,展现了良好的倍率性能和循环性能。在1.0 A g-1电流密度下循环600圈具有480 mA h g-1容量。(2)利用氯化钠模版法,使用简单的冷冻干燥和高温煅烧法合成NiSb/C碳纳米片复合材料。合成材料中,NiSb纳米颗粒尺寸均一,且均匀地分布在碳纳米片上,这一特殊结构缩短离子扩散距离,有效解决材料体积膨胀、结构坍塌问题;同时添加镍金属可起到框架的作用,有利于维持材料结构的稳定性,展现了优异的电化学性能。在1.0 A g-1电流密度下循环1000圈具有405 mA h g-1容量。(3)利用氯化钠模板法,使用冷冻干燥和高温煅烧法合成SnSb/N-C碳纳米片复合材料,合成材料中,SnSb纳米颗粒均匀地嵌入在氮掺杂碳纳米片上,这一结构有效缓解SnSb纳米颗粒的体积膨胀,实现了更优异的循环稳定性;同时,引进电化学活性物质金属锡,能有效提高复合材料的储锂容量,进而实现更高的电池容量。在1.0 A g-1电流密度下循环1000圈具有537.5 mA h g-1容量。
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