锂离子电池磷/碳复合材料的制备及其电化学性能的研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:mad1979
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随着新能源汽车和便携式移动设备的发展,人们对锂离子电池的性能要求不断提高,目前,商用石墨体系负极材料能量密度较低,逐渐不能满足人们的需求,寻找新的高能量密度负极体系已然成为如今的首要任务。磷可以与Li+发生可逆的合金化反应,生成富锂相产物Li3P,理论容量高达2595 mA h g-1,具有优异的储锂性能。其中,红磷来源广泛、成本低廉、结构稳定,有望成为一种替代石墨的高性能锂离子电池负极材料。但是,与其它高比容量电极材料类似,红磷导电性差,在电化学反应过程中体积膨胀严重,容量衰减迅速,阻碍了红磷在锂离子电池负极中的实际应用。为解决上述问题,将红磷的尺寸纳米化或是与其它导电性材料复合是简单有效的策略。基于此,本文首先引入生物质衍生多孔碳材料,利用蒸汽转化法,得到红磷与碳材料的复合产物,利用碳材料对红磷的导电性和体积膨胀问题进行了宏观调控。之后,本实验又研究了同样具有较高比容量的磷基化合物:Sn4P3,通过溶剂热法和磷化处理将Sn4P3纳米颗粒负载在了高导电性二维材料MXene的片层表面,利用MXene的高电导率片层结构既提升了复合材料的整体导电性,又缓冲了材料的体积膨胀问题,得到了高倍率性能、高稳定性锂离子电池负极材料。研究内容及取得的主要研究结果如下:(1)以生物质衍生多孔碳材料为模板,通过蒸汽转化法合成了红磷/生物质衍生多孔碳复合材料。通过改变预碳化温度,研究了温度对多孔碳孔隙结构的影响,获得了具有高比表面积、微孔丰富的理想碳模板材料BDPC。进而,利用蒸汽转化法,将BDPC与不同比例的红磷进行复合,探索了复合材料中磷与碳的最佳配比关系。结果表明,磷含量为62.1%的复合材料表现出最佳的电化学性能:样品首次库伦效率高达91.7%;在500mA g-1的电流密度下初始容量为1689 mA h g-1;在30 A g-1的电流密度下材料可贡献599mA h g-1的容量;5 A g-1的电流密度下经600次循化后,容量保持率高于90%。(2)以SnCl4·5H2O为前驱体,通过溶剂热法先在MXene基面上原位生长纳米SnO2颗粒,之后再进行磷化处理,得到目标产物MXene@Sn4P3。考察了磷化程度和Sn4P3的负载量对复合材料综合电化学性能的影响。实验结果表明,当磷源次亚磷酸钠与SnO2中的原子摩尔比P:Sn=7:1时,SnO2颗粒能够得到充分磷化,复合材料的综合电化学性能最佳;当最初SnCl4·5H2O和MXene的质量投料比为5:1时,复合材料能够在保证循环稳定性的前提下贡献最大的比容量。在0.1A g-1的电流密度下材料首次库伦效率为82%;在5A g-1的电流密度下可贡献高达578 mA h g-1的容量;在1 A g-1的电流密度下经300次循化后材料容量保持率高于90%,表现出良好的循环稳定性能。
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