磷化锡锂离子电池负极材料的形貌设计与性能研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq149971093
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能源储存依旧是人类社会对清洁能源循环利用的重要环节。由于锂离子电池展示了良好的倍率性能、长循环寿命和可靠的安全性。因此,可循环充放电的锂离子电池被选择作为各种电子设备、混合动力的电动汽车以及航空航天器的重要电能供应源。可是,传统的商业化石墨碳的理论容量只能达到372 mA h g-1无法满足现代高能量密度设备的需求。因而,需要不断发展新方法探索途径和开拓新材料,寻求获得更高的理论容量的负极材料。由于磷化锡具有较高的理论容量、有效地锂插入和脱出反应、较低的充放电电压、金属特性和热稳定性,已被选择作为锂离子电池负极材料的研发对象。然而,在充放电过程中,锂离子嵌入/脱出引发的较大的尺寸改变造成磷化锡负极材料从集流体脱离和锡纳米分子的团聚,造成磷化锡材料容量的快速衰减,严重限制了磷化锡作为负极材料的应用。为了解决体积膨胀和锡团聚造成的容量衰减,本文开展以磷化锡为活性物质的磷化锡-碳复合负极材料的制备。本文中采用氧化锰纳米线作为模板,通过水热和磷化的方法合成空心管状结构的介孔碳包覆单分散磷化锡纳米颗粒。开展介孔材料的制备,所制备的材料中外层碳包覆不仅可以缓解磷化锡的体积膨胀,同时也可以增加磷化锡活性材料的导电性。另外,作为一种转换型材料,磷化锡在第一圈放电过程中,所形成的宿主支撑结构能够阻止锡的团聚,促使磷化锡锂离子电池性能得到有效的改善。这种磷化锡负极材料表现出良好的测试性能,在0.2 A g-1,循环400圈后它的可逆容量依旧保持在878 mA h g-1,且在1 A g-1下循环250圈以后,其可逆容量达到745 mA h g-1。另外,电化学动力学分析表明,在1 mV s-1的扫描速率下,其电容对电池总容量的贡献率高达74.3%。此外,本文采用空心六面体的碳材料包覆磷化锡,并进行活性材料的制备和电化学性能研究。首先采用实心的ZnSnO3通过水热的方法包覆一层葡萄糖,然后碳化。经Na2EDTA处理及磷化后形成空心的六面体的Sn4P3@C。性能测试表明,在0.2 A g-1循环200圈,材料仍然维持513 mA h g-1的可逆容量。每圈比容量衰减率仅为0.1839%,实现了良好的电化学性能。
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