锂电池负极材料二氧化锡的性能改良与机理研究

【摘要】目前商业化的锂离子电池负极材料通常为碳系材料,如石墨,中间相碳微球等。它们的比容量较低,而且结构不够稳定,经不起大电流充放电。所以虽然现阶段的锂离子电池已经基本满足便携小型设备的需要,但电动车所需的大型动力锂离子电池所用材料仍需我们科研人员改进和研发。二氧化锡(SnO2)属于金属氧化物,相对于石墨(372mAh/g)拥有二倍多的比容量(782mAh/g),是一种有潜力取代石墨的动力锂离子电池负极材料,但金属氧化物作为锂离子电池负极材料都有一个共同的缺陷：循环性能较差。而造成金属氧化物材料循环寿命短的原因就是它在充放电过程中会产生剧烈的体积变化(充满电时膨胀300%),反复的体积剧烈变化会造成活性材料粉化并与导电基底脱离,晶体结构破坏等严重后果,而在大电流充放电的状态,这种崩溃将会更快发生。克服金属氧化物体积膨胀带来的灾难性后果是目前科学研究者研究的重点。并且,金属氧化物本身的电导率不高,这也影响了它的高倍率充放电性能。人们尝试了很多方法来改善这些缺点,如制作中空的纳米球形貌的SnQ,在纳米级SnO2周围包覆上一层无定形碳缓冲层,量子点SnO2等,纳米结构的SnO2与无定形碳缓冲层确实在一定程度上减轻了SnO2的体积膨胀效应,并且提高了传统SnO2的比表面积,缩短了锂离子扩散路径,提高了电导率。但这些方法并未完美的解决这一问题,SnO2循环寿命仍然在50圈以内。第一章简要介绍了当今锂离子电池商业以及科研上的大背景,给出了常见锂离子电池材料的电势排列图以及商业锂离子电池的工作原理图。然后针对每一种类型的最常见的电极材料的优缺点,需要改进的方向进行了介绍。详细解释了电解液中两个重要的分类：液体电解液和聚合物电解质的区别以及联系,实验室最常用的液体电解液的成分和发展历史用一张图表展示了出来。关于锂离子电池的粘合剂,虽然在锂电领域人们常常目光都集中在电极材料的优化或者发现新材料上,但实际上通过改变电极材料的粘合剂,有时能够起到更大的提升电池性能的作用,在这里介绍了传统锂离子电池粘合剂的优缺点,同时也介绍了在文献中出现的一些新兴粘合剂的性能效果,可以为本文中的海藻酸钠性能效果作比较以及铺垫。第二章介绍扣式锂离子电池的组成部分,详细说明了实验室工作电极的制作方法,扣式锂离子电池的组装方法,并制作了以石墨为负极的扣式锂离子电池,讨论制作性能最佳扣式电池的工艺手法。第三章用一步水热法合成了SnO2@C复合结构的纳米材料,对材料进行了SEM,TEM,拉曼光谱,热重分析等充分的表征,结果确定SnO2(?)C微观结构是由质量含量33%的无定形碳包覆的20纳米SnO2小颗粒结构。将SnO2(?)C用450℃退火4小时之后可以清晰的看到SnO2纳米小颗粒。SnO2(?)C作为活性材料制作成锂离子扣式电池测试性能,通过恒电流充放电,循环伏安法,交流阻抗谱图等,我们可以看到本文中一步水热法制作的SnO2(?)C的性能类似于其他文献中的SnO2(?)C类材料(50圈之后剩余约250mAh/g)。然而在改用海藻酸钠作为电极材料粘合剂之后,SnO2(?)C展现出了令人振奋的性能提升,不仅首圈放电容量达到了700mAh/g,在循环50圈之后还仍然保有600mah/g以上的比容量。从交流阻抗谱上可以看出造成负极性能大幅度提升的主要原因就是海藻酸钠粘合剂制作的电极片比起传统的PVDF粘合剂电极片高20倍的锂离子扩散系数,同时电荷转移电阻低了4倍。并且海藻酸钠形成的膜本身具有较高的空隙率,理论上完全可以克服SnO2的体积膨胀。
【作者】柯宇飞；
【导师】黄新堂；
【作者基本信息】华中师范大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】SnO2@C；锂离子电池负极材料；海藻酸钠；PVDF；锂离子扩散系数；

【参考文献】
[1]金文涛.Au（Ⅰ）-Cys无氰配合物的合成及其镀金性能的研究[D].中南林业科技大学,环境工程,2013,硕士.
[2]马晓晋.中国企业技术获取型跨国并购的影响因素研究[D].浙江工业大学,2008.
[3]刘东明.3G时代的移动终端发展[J].世界电信.2007(09)
[4]崔治财.新型芴类衍生物的合成及配合物研究[D].湖北民族学院,应用化学,2013,硕士.
[5]师生波,贲桂英,韩发.不同海拔地区紫外线B辐射状况及植物叶片紫外线吸收物质含量的分析[J].植物生态学报,1999,06:529-535.
[6]王帅.基于移动Agent的分布式网络入侵免疫系统的设计与实现[D].武汉大学,2004.
[7]徐乡.基于ST-E9500的嵌入式Linux的研究与设计[D].江苏科技大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[8]冷蓉.高校师范生教学实践能力现状调查研究[D].上海师范大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[9]朱葵.促进居民收入分配差距缩小的财政转移支出政策研究[D].首都经济贸易大学,财政学,2014,硕士.
[10]张宏凯.国际保理法律问题研究[D].大连海事大学,国际法学,2004,硕士.
[11]朱思扬.金融资产盈余管理与内部控制自我评价研究[D].天津财经大学,会计学,2012,硕士.
[12]刘庆强.居民负荷特性研究及应用[D].上海电力学院,电力系统及其自动化,2014,硕士.
[13]季周盈.分布式供能系统中生物质气内燃机性能研究[D].哈尔滨工业大学,动力工程及工程热物理,2013,硕士.
[14]袁娜.森林火灾应急响应方案选择方法的研究[D].东北大学,管理科学与工程,2010,硕士.
[15]康冰,刘世荣,温远光,张跃进,姜在民,常建国.广西大青山南亚热带次生林演替过程的种群动态[J].植物生态学报,2006,06:931-940.
[16]王立谦.关于鸡西市石墨产业发展对策的思考[J].黑龙江科学,2011,03:56-58.
[17]王炜.高龄化社会人本信息技术研究[D].浙江工业大学,2005.
[18]白丽娟.冰温贮藏对红树莓品质影响的研究[D].天津商业大学,食品工程（专业学位）,2013,硕士.
[19]李宏刚.电气化铁道牵引网故障测距装置的研究[D].华北电力大学（北京）,高电压与绝缘技术,2004,硕士.
[20]杨辉.欧陆微机数采系统在锅炉生产监控中的应用[J].冶金自动化,1999,02:53-55.
[21]林冰.CaF_2污泥制备介孔材料及其对污染物吸附性能的研究[D].华侨大学,环境工程,2014,硕士.
[22]解丽娟.法律法规汉译英中的信息转移[D].广东外语外贸大学,翻译学,2013,硕士.
[23]VYUMAJEAN-PAULFURAHA.外国直接投资在东部非洲共同体：挑战与机遇[D].宁波大学,MBA（专业学位）,2013,硕士.
[24]刘均辉.航标遥测遥控无线视频监控系统研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2013,硕士.
[25]胡光万.莼菜属、睡莲属和芡属的花器官发生及其系统学意义[D].湖南师范大学,植物学,2004,硕士.
[26]廖施煜.影响我国中部地区外商直接投资因素研究[D].湖南师范大学,区域经济学,2013,硕士.
[27]王续迪.全日制教育硕士《现代教育技术》公共课教学模式构建与应用研究[D].东北师范大学,教育技术学,2012,硕士.
[28]张聪.基于PIV技术的水平管油水两相流流速测量方法研究[D].燕山大学,电子与通信工程,2014,硕士.
[29]郭蕾蕾.大麦分子遗传图谱构建及其主要农艺性状和功能成分的QTL定位[D].四川农业大学,生物化学与分子生物学,2012,硕士.
[30]王金钢.项目教学法在大学英语阅读教学中应用的实证研究[D].渤海大学,课程与教学论,2013,硕士.
[31]胡永保.中国农村基层互动治理研究[D].东北师范大学,中共党史,2014,博士.
[32]许芳.高中地理新教材（必修1）的比较与整合使用研究[D].河北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[33]王妍慧.普希金的圣经情结[D].湘潭大学,比较文学与世界文学,2003,硕士.
[34]李孝君.金融机构市场退出研究[D].首都经济贸易大学,金融学,2004,硕士.
[35]贾德民.全可变气门机构对车用发动机进气性能的影响[D].山东大学,车辆工程,2013,硕士.
[36]彭文莉.湖北省砂梨栽培品种评价研究[D].中国农业科学院,园艺（专业学位）,2012,硕士.
[37]王新娟.河北省区域金融发展差异研究[D].河北经贸大学,统计学,2014,硕士.
[38]姜雅婧.矿石粉去除自然水体中及底泥释放磷的研究[D].扬州大学,市政工程,2012,硕士.
[39]杨芳芳.基于CAN总线的网络控制系统调度算法的研究[D].天津理工大学,控制工程,2013,硕士.
[40]谢兵.站场线路拨移清筛施工技术研究[D].西南交通大学,交通运输工程,2013,硕士.
[41]刘宁.基于媒体传播的瞬间影像解析[D].北京印刷学院,设计艺术,2013,硕士.
[42]马征征.基于蒙特卡罗的移动节点定位算法研究[D].河北师范大学,无线电物理,2013,硕士.
[43]W·S·霍斯.横波在水底的临界角——它们和海上多次反射的关系[J].石油地球物理勘探,1976,S1:35-36.
[44]苏盈盈.鲜食糯玉米重要性状遗传分析及杂种优势利用研究[D].吉林农业大学,作物遗传育种,2012,硕士.
[45]范红娜.天津市民绿色产品消费行为调查及伦理价值分析[D].东北大学,伦理学,2010,硕士.
[46]司永健.甘肃省农村信用社业务创新研究[D].兰州理工大学,工商管理,2013,硕士.
[47]冉红凯.某气动舵机改进设计与研究[D].南京理工大学,兵器工程,2012,硕士.
[48]谢杰.应用模糊数学方法对绝经后骨质疏松症的证型研究[D].广州中医药大学,2007.
[49]晋亮.数据挖掘技术在信用卡客户营销中的应用[D].华东师范大学,概率论与数理统计,2012,硕士.
[50]权海平.基于Linux的小型集群的研究与实现[D].南京邮电大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.