锂电池纳米氧化锡负极材料的制备及性能研究

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锂离子电池(LIBs)以高能量密度,低环境污染和安全的工作电位成为当下各个领域使用最为广泛的储能装置。随着高功率设备的大规模普及,对于锂离子电池高能量密度的需求逐渐增大。然而,目前商业化的锂离子电池受限于石墨负极较低的能量密度,难以满足高功率设备的需求。因此,对于高性能阳极的开发是迫在眉睫的。氧化锡(SnO2)具有令人瞩目的理论比容量,被视为最有潜力的新一代阳极候选者。但是,SnO2阳极受限于导电率低和结构稳定性差的特性,其商业化的发展受到了阻碍。本论文针对SnO2阳极的这些问题提出制备碳/SnO2复合阳极的改性思路,并开展了实验以验证改性措施的成效性。与传统碳基材料的复合虽然能够改善SnO2阳极导电率差这一缺点,但后者的低电容依然限制了复合材料的容量发挥。我们将具有高能量密度的氟化碳纳米管(F-CNTs)引入复合阳极体系中,以补偿整体电极容量因碳的低电容产生的损失。此外,将F-CNTs进行了高温脱氟化处理,缺陷工程的应用成功地在退氟化碳纳米管(D-CNTs)中构造了大量的结构缺陷,而这些缺陷位点能够为碳材料提供额外的储锂容量。利用XRD、XPS、Raman、FTIR和AFM等表征手段对F-CNTs和D-CNTs进行了脱氟化前后的物相和形貌分析,并分别与SnO2制备成复合电极。其中,D-CNTs@SnO2展现了更好的电化学性能,在0.1 A g-1下经过200次循环后,保持有465.19 m Ah g-1的可逆放电容量。源于SnO2的体积效应所致,D-CNTs@SnO2电极在后期循环过程中可逆容量发生剧烈衰减的现象被观察到。对于这一问题,我们从预留缓冲空间的角度入手,对D-CNTs@SnO2电极进行了结构设计,成功地制备出纳米空心棒状D-CNTs@SnO2@氮掺杂碳(N-C)复合阳极。中空结构可以适应嵌/脱锂过程中的体积变化,N的掺杂提高了碳层的导电性和孔隙率,F的脱离增大了内部碳管的缺陷密度,这种双碳效应提供了锂离子的多维传输路径和多重储锂位点,使其具有出色的电化学性能。在0.1 A g-1的电流密度下循环200次后可以提供1311.15m Ah g-1的高可逆容量。D-CNTs的引入和中空结构的构造,成功的改善了SnO2阳极的电化学性能。但我们注意到缺陷工程的应用会破坏碳环上原子的有序排列,从而限制了复合阳极的倍率能力。因此制备了芳纶导电纤维并用以负载D-CNTs@SnO2@N-C(D-AF)。D-AF中独特的柔性骨架可以实现活性物质的内部封装,适应电极片在应力作用下的变形。密集的碳纳米管网络促进了电极导电性的提高。芳纶导电纤维作为新型柔性集流体,为D-CNTs@SnO2@N-C提供了更稳定的使用寿命和更强的倍率能力。D-AF在1.0 A g-1的电流密度下经过200次循环后,依然保持有647.74 m Ah g-1的可逆容量。
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