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能源危机与环境问题是当今人类世界面临的两个最大的挑战。绿色能源的开发和新能源的利用过程中,能量的存储是非常关键的一环。化学电源是目前应用得最为广泛的储能装置,它通过化学能与电能之间的转换可为外界提供稳定可靠的能量输出。相对于其它二次电池,锂离子电池具有容量高,循环性能好,电压高,无记忆效应,自放电系数小,对环境友好等优点,是目前应用最为广泛的商业化电池。但是随着移动电子设备快速地向微型化与智能化发展和汽车工业向电动汽车方向的转型,锂离子电池已不能满足它们的对其性能的要求。因此,迫切地需要开发更高容量和更好安全性能的锂离子电池。基于这一背景,本文对比商业化锂离子电池中石墨负极材料容量更高,安全性能更好的锡基新型负极材料进行了研究,发展了新的锡基负极材料的制备方法,对改善锡基负极材料循环稳定性能的途径进行了探索。
首先,本文发展了一种制备一氧化锡/碳复合材料的新方法。采用一种简单的离子交换法,将锡离子负载到树脂上面,再通过在惰性气氛中碳化,成功地制备了一氧化锡/碳复合材料。经过表征,所得到的材料为一种微纳米结构,纳米尺寸的一氧化锡粒子很好地包裹在几个微米碳基体颗粒内。这样一种结构有利于碳基体对一氧化锡的纳米粒子起到较好的保护作用,又避免了单独存在的高表面能的纳米粒子形成的安全隐患,并且材料整体表现为微米粒子使其具有高的振实密度。通过电化学性能测试,材料表现出了高的嵌锂容量与稳定的循环充放电性能。
通过对实验条件的改变,制备出了锡/碳复合材料,提高了材料首次充放电的库仑效率。为了改善锡/碳复合材料循环充放电的稳定性能,本文对不同的材料制备工艺进行了探索,改善了材料的内部结构,在锡/碳复合材料的碳基体中形成了大量的微孔与介孔。电化学性能测试的结果表明,这种多孔结构的锡/碳复合材料有较好循环稳定性能。锡/碳复合材料的孔结构在充放电过程中能有效地缓解材料中锡粒子的体积膨胀,对于改善材料的循环稳定性能有很大的帮助。
将多孔结构的锡/碳复合材料进行了表面包碳的处理,在材料的表面上包上了一层无定形碳。包碳处理后,材料中所有的锡粒子都被无定形碳很好地包裹起来,材料在空气中显示了很好的热稳定性能。包碳后的锡/碳复合材料的比表面极大的减小,其首次充放电过程中的库仑效率有很大的提高。表面的碳包覆能对材料起到进一步的保护作用,使其充放电循环的性能更加稳定。
本论文发展的材料制备方法新颖,过程简单,成本低,对于商业化大规模生产高容量的锡基负极材料有很好的借鉴意义。所制备的一氧化锡/碳,锡/碳复合材料结构优异,容量高,性能稳定,并且通过表面包碳技术大幅提高了材料首次充放电的库仑效率,其在新一代高容量的锂离子电池中有潜在的应用价值。