發(fā)布時(shí)間：2021-02-13 04:20

　　鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、記憶效應(yīng)小、污染小等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是未來存儲(chǔ)電能的最有效途徑。三維電極是當(dāng)前鋰離子電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),與傳統(tǒng)電極相比,它能為體積膨脹提供充足的空間,增強(qiáng)電子與離子的轉(zhuǎn)移能力,提供更穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)等,因此此類電極在電化學(xué)測試中表現(xiàn)出更優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性與倍率性能,被眾多研究者認(rèn)為是下一代鋰離子電池的理想選擇之一。從活性材料出發(fā),設(shè)計(jì)并構(gòu)建了多種三維結(jié)構(gòu)電極,作為鋰離子電池的負(fù)極:通過靜電紡絲技術(shù)制備了C-Ni₃Sn₂-Sn、Cu₃Sn和N-TiO₂納米纖維,將其均勻涂覆在平面集流體上,構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);同樣采用靜電紡絲法制備了炭納米纖維布免粘結(jié)劑負(fù)極,石墨紙為接收板,煅燒后納米纖維與石墨紙形成三維網(wǎng)絡(luò)。C-Ni₃Sn₂-Sn、Cu₃Sn和N-TiO₂納米纖維表面存在的納米顆粒,在三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)而增大了材料的比表面積,為Li+嵌入和脫出提供了更多的活性位點(diǎn)。上述三維結(jié)構(gòu)電極均表現(xiàn)... 

【文章來源】：長春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池的充放電原理示意圖

5但是，由于鎳的含量高，Ni3Sn合金的理論容量很低，這并不利于大容量的鋰儲(chǔ)存進(jìn)而代替商業(yè)化石墨。（2）Sn-Cu自1999年開普勒等人制備Cu6Sn5合金以來，金屬Cu作為非活性基體進(jìn)入Sn體系已有幾十年的歷史[55-58]。室溫下可穩(wěn)定存在的Cu-Sn化合物可分為η`-Cu6Sn5[55-71]和ε-Cu3Sn[72-78]兩種，這兩種化合物作為鋰離子電池負(fù)極材料而得到了廣泛的研究。圖1.3（a）η-Cu6Sn5、（b）η`-Cu6Sn5[56]、（c）Li2CuSn[55]和（d）Li22Sn5[82]的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1.3Thecrystalstructuresof(a)η-Cu6Sn5,(b)η`-Cu6Sn5[56],(c)Li2CuSn[55],(d)Li22Sn5[82]Cu6Sn5的高溫相被標(biāo)記為η-Cu6Sn5，屬于NiAs型結(jié)構(gòu)，1928年被Westgren等人發(fā)現(xiàn)[79]。圖1.3（a）所示，η-Cu6Sn5是缺陷NiAs結(jié)構(gòu)[80]。室溫下存在的Cu6Sn5標(biāo)記為η`-Cu6Sn5，并同時(shí)具有NiAs和Ni2In兩種結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（圖1.3b）。η`-Cu6Sn5是缺陷Ni2In型結(jié)構(gòu)，其中80%的三角雙錐體位點(diǎn)是空缺的[56]。作為負(fù)極材料，之前報(bào)道的原位X射線衍射表明，Li+可插入到η`-Cu6Sn5中[58]。插入過程是可逆的。由于三棱錐雙錐結(jié)構(gòu)中存在大量的空位，鋰在鋰化過程的開始便可插入[81]。因此，η`-Cu6Sn5初期的電化學(xué)反應(yīng)，形成了具有F-43m空間群的Li2CuSn型結(jié)構(gòu)(圖1.3c)。相變的理想反應(yīng)可以用如下方程式來描述：η`-Cu6Sn5+10Li++10e-→5Li2CuSn+Cu（1-7）(x-2)Li++(x-2)e-+Li2CuSn→LixSn+Cu(2﹤x﹤4.4)（1-8）

6隨著鋰進(jìn)一步的插入，來自于Li2CuSn中的Cu形成非晶態(tài)的Cu，之前Cu占據(jù)的位置被插入的鋰所取代。從而形成Li-Sn合金，如方程式（1-8）所示[82]。Cu完全取代會(huì)得到Li3Sn相。此外，鋰更進(jìn)一步插入，會(huì)形成富鋰相Li4.4Sn。如圖1.3（d）所示，Li4.4Sn的結(jié)構(gòu)為面心立方堆積。η`-Cu6Sn5在鋰離子電池中的電化學(xué)性能已被廣泛研究。Thackeray等人發(fā)現(xiàn)η`-Cu6Sn5會(huì)與鋰反應(yīng)生成LixCu6Sn5（x=13），其理論容量為358mAh·g-1，電壓平臺(tái)在0.4V（相對于Li/Li+）[58]。Wolfenstine等人開發(fā)了一種通過減小Cu6Sn5合金的尺寸來增強(qiáng)循環(huán)穩(wěn)定性的方法[71]。納米尺寸Cu6Sn5合金的理論容量為1450mAh·ml-1，其理論容量幾乎是商業(yè)石墨（約850mAh·ml-1）的兩倍。如圖1.4（a-b）所示，Shin和Liu采用電化學(xué)沉積過程在泡沫H2模板上制備出多孔Cu6Sn5負(fù)極，30次循環(huán)后其放電比容量約為400mAh·g-1（圖1.4c）。此外，多孔Cu6Sn5在20C時(shí)的比容量保持率超過了1C時(shí)的50%（圖1.4d）[61]。圖1.4（a）、（b）為多孔Cu6Sn5負(fù)極的SEM照片，（c）、（d）為多孔Cu6Sn5負(fù)極的循環(huán)性能和倍率性能[61]Fig.1.4(a,b)SEMimages,(c)cyclingperformance,and(d)ratecapacityoftheporousCu6Sn5anode[61]ε-Cu3Sn合金為Cmcm（63）空間點(diǎn)群。Cu3Sn合金在鋰化和去鋰化過程中，只有很小的體積變化。因此，Cu3Sn合金有望解決Sn負(fù)極在鋰化和去鋰化后因體積變化大而造成的循環(huán)性能差這一問題，成為一種有前途的負(fù)極材料。然而，與Cu6Sn5合金相比，Cu3Sn合金有一些缺點(diǎn)。首先，Cu3Sn合金的最大理論容量只有303mAh·g-1，其鋰化產(chǎn)物為Li7Sn2（如方程式1-9所示）。ε-Cu3Sn+3.5Li++3.5e-→0.5Li7Sn2+3Cu（1-9）

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]First-principles study of interphase Ni3Sn in Sn-Ni alloy for anode of lithium ion battery[J]. 侯賢華,胡社軍,李偉善,汝強(qiáng),余洪文,黃釗文.  Chinese Physics B. 2008(09)



本文編號：3031963