發(fā)布時間：2020-03-29 19:07

【摘要】：鋰離子電池(LIB)作為新一代綠色儲能器件,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品中。隨著便攜式電子設(shè)備及新能源電動汽車等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,對鋰離子電池的容量和壽命提出了更高的要求,以石墨(理論比容量為372mAh·g~(-1))作為負(fù)極材料的鋰離子電池已經(jīng)不能滿足其需求。金屬錫(Sn)由于具有較高的理論比容量(990 mAh·g~(-1))受到了廣泛的關(guān)注。然而,金屬錫在錫鋰合金化過程中存在巨大的體積膨脹(300%),活性材料會發(fā)生粉化并從集流體剝落,導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差。針對上述問題,本文設(shè)計(jì)中空錫微米球與多孔錫@乙炔黑復(fù)合微米球負(fù)極材料,擬利用中空或多孔結(jié)構(gòu)的孔隙預(yù)留空間以及碳基體緩沖錫負(fù)極充放電過程中的體積膨脹,提高錫負(fù)極循環(huán)穩(wěn)定性。1.以鋅微米球?yàn)槟０?采用電流置換法制備了中空錫微米球,掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、X射線能譜(EDX)及X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果表明,中空錫微米球粒徑在3 8?m范圍內(nèi),為四方錫相結(jié)構(gòu)。將其用于鋰離子電池負(fù)極,電化學(xué)測試結(jié)果表明,中空錫微米球充放電過程中存在多步合金及脫合金化過程;循環(huán)100圈后,可逆容量為263.4mAh·g~(-1),高于錫實(shí)心球(148 mAh·g~(-1)),表明中空結(jié)構(gòu)能夠緩解錫負(fù)極體積膨脹,提高其循環(huán)穩(wěn)定性。對中空錫微米球負(fù)極充放電過程中應(yīng)力進(jìn)行分析,結(jié)果表明,空心球的環(huán)向和徑向應(yīng)力均低于實(shí)心球,且充放電電流密度越大,應(yīng)力越大。對充放電過程中負(fù)極材料形貌及結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究,結(jié)果表明,充放電過程中中空錫微米球電極的失效主要是由微米球結(jié)構(gòu)的粉化及負(fù)極材料從集流體的剝離所導(dǎo)致的。2.以乙炔黑為碳基體,鋅微米球?yàn)槟０?采用電流置換法制備了多孔錫@乙炔黑復(fù)合微米球。SEM、TEM、XRD、EDX和氮?dú)馕綔y試結(jié)果表明,微米球?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu),直徑在5 7μm之間,由無定型乙炔黑和正交錫晶相組成,且微米球中錫為納米晶,質(zhì)量含量為87.9%。將其用于鋰離子電池負(fù)極,電池?cái)?shù)據(jù)表明,循環(huán)100圈后,多孔錫@乙炔黑復(fù)合微米球的可逆容量為480.8 mAh·g~(-1)(100 mA·g~(-1))和339.5 mAh·g~(-1)(1600 mA·g~(-1)),高于中空錫微米球的263.4 mAh·g~(-1)(100 mA·g~(-1))和277.3 mAh·g~(-1)(1600 mA·g~(-1)),表明多孔錫@乙炔黑復(fù)合微米球具有更好的循環(huán)和倍率性能。更重要的是,循環(huán)80全后,隨循環(huán)圈數(shù)的增加,可逆容量穩(wěn)定增加,這主要是由于電化學(xué)循環(huán)過程中電極表面裂紋的自修復(fù)行為及多孔錫@乙炔黑復(fù)合微米球中錫碳自組裝形成微米花結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.對載荷作用下電極的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,準(zhǔn)靜態(tài)載荷和接觸載荷作用均會降低電池的容量和循環(huán)穩(wěn)定性,載荷越大,可逆容量損失越大;且接觸載荷作用會導(dǎo)致電池發(fā)生凹陷和破裂,可逆容量損失較大。4.對充放電過程中集流體的力學(xué)行為進(jìn)行研究,結(jié)果表明,充放電循環(huán)后,銅集流體的楊氏模量與硬度增加。這主要是由于電化學(xué)循環(huán)過程中碳原子擴(kuò)散到銅基體中形成了較低石墨化程度的碳,以及鋰離子與錫原子擴(kuò)散到基體中形成了立方Li_2SnCu相,這種金屬間化合物具有高的硬度和脆性,導(dǎo)致銅集流體的楊氏模量和硬度增加,韌性下降。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM912

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本文編號：2606393