SnO2/C基复合材料的静电纺丝制备及研究

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科技不断发展,人们对于能量储存系统的性能要求有了进一步的提高。近年来,国家对于新型能源研究的重视也促进了储能体系的发展。锂离子电池(LIB)作为一种具有能量密度高,安全性强并且绿色无污染等优点的储能装置备受研究者青睐。在实际应用中,电极材料的性能对LIB的性能有决定性作用。然而,就现在已经商业化的负极材料石墨而言,其能量密度低以及较低的嵌锂电位带来的安全问题阻碍了LIB的进一步发展。人们试图通过寻找其他材料,融合掺杂、包覆等技术制造出高性能的负极材料来替代商用石墨负极,复合材料应运而生。SnO2纳米纤维材料因可逆容量较大,结构规整和比表面积大等优点成为锂离子电池负极材料之一。然而,其在LIB循环过程中的问题还没有效解决,例如体积膨胀导致锂枝晶的生成等。为提高SnO2纳米纤维材料的容量,研究人员提出对其进行掺杂改性的方法并且得到优异的性能。本论文以SnO2纳米纤维为研究对象,用具有高电导率和热稳定的聚丙烯腈(PAN)为稳定碳源,利用静电纺丝和热处理技术,制备不同基体的SnO2纳米碳材料以及与纳米Ge O2复合的SnO2纳米碳复合材料;并探究温度对于纳米Ge O2复合SnO2纳米碳材料性能的影响,同时将纳米复合材料组装成锂离子电池并研究其性能。研究工作如下:(1)使用静电纺丝技术以PAN作为稳定碳源制备SnO2/C纳米纤维,使用相同技术制备掺杂有不同聚合物(聚乙烯吡咯烷酮(PVP),聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))的SnO2/C纳米纤维。在同等条件下热处理,并将其作为负极材料组装成锂离子电池进行测试研究。实验结果表明,相比之下,以PAN/PVP为碳源的SnO2/C纳米材料的循环稳定性最强,首次放电容量为1544.25 m Ah/g,并且循环50圈后容量依然保持在632.3 m Ah/g。(2)基于上述过程,探究不同碳化温度条件下对Ge O2掺杂SnO2/C复合材料性能的影响。经过一系列表征得出,在600℃碳化温度下的Ge O2掺杂SnO2/C复合材料较在500℃和700℃碳化的材料具有更加优异的循环稳定性和倍率性能。(3)在上述制备以PAN/PVP为碳源的SnO2/C纳米纤维工作的前提下,采用静电纺丝技术进一步制备了纳米Ge O2掺杂的SnO2/C纳米纤维,并将其应用于锂离子电池进行性能表征。结果显示,掺杂纳米Ge O2后的SnO2/C复合材料具有更高的比容量和较大的比表面积。首次放电容量为1630.96 m Ah/g,循环50圈后容量为787.01 m Ah/g,库伦效率为98.3%。说明Ge O2的掺杂有效提高了SnO2/C纳米材料的放电比容量,减小了循环过程的阻抗,增大了比表面积,增强了锂离子电池的循环稳定性。该复合材料的研究有望促进锂离子电池负极材料的进一步发展。
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