碳气凝胶—氧化锡复合材料的制备与改性及其储锂性能研究

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锂离子电池作为一种新型的储能器件,在人们的日常生活中使用越来越频繁。锂离子电池传统负极材料多为石墨类材料,其比容量较低,无法满足市场对锂离子电池高容量的需求。氧化锡材料因其高容量的优点被人们普遍认为可以代替石墨类负极材料。但氧化锡负极材料导电性差,在脱嵌锂的时候容易产生体积膨胀导致其粉化、脱落,氧化锡颗粒在电极材料中很容易出现团聚现象,造成氧化锡负极在使用过程中容量衰减严重。针对氧化锡负极材料的上述问题,本文首先对碳气凝胶的比表面积进行了提升,然后用两种不同的方法使高比表碳气凝胶和氧化锡复合,最后用聚吡咯包覆复合材料,并研究了复合材料的电化学性能,具体研究内容如下:(1)为了提升碳气凝胶的比表面积,本文采用葡萄糖和石蜡为原材料,通过反相乳液聚合法来制备碳气凝胶,并对其结构进行了表征。结果表明:制备的碳气凝胶是多孔碳结构,从XRD测试结果可以看出其为无定型碳结构。选取氢氧化钾为活化剂对碳气凝胶活化从而提升其比表面积,对比了不同浸渍比对碳气凝胶比表面积的影响。研究发现当浸渍比为3的时候,碳气凝胶的比表面积最高,为1792.3 m2 g-1。高比表面积能够提供更多的二氧化锡复合位点,有利于提升提复合材料的导电性。(2)采用水热法和真空浸渍法两种不同的方法制备高比表碳气凝胶-氧化锡复合材料。研究发现,真空浸渍法制备的复合材料中氧化锡的负载高达38.8 wt%,纳米氧化锡颗粒均匀分散在高比表碳气凝胶的孔隙之中。在0.1 A g-1电流密度下,水热法制备的复合材料作为电极材料的第一次放电比容量为1489 m Ah g-1循环50次后容量衰减较快。真空浸渍法制备的复合材料作为电极材料的第一次放电比容量1768.5m Ah g-1,循环50次后的放电比容量仍为209.4 m Ah g-1。对比发现,真空浸渍法制备的复合材料在锂离子电池中具有更好的电化学性能。(3)在以真空浸渍法制备的碳气凝胶-氧化锡复合材料表面,采用原位化学氧化聚合法包覆聚吡咯,研究不同的聚吡咯包覆对电极材料电化学性能的影响。结果表明,高比表碳气凝胶和吡咯单体的质量比为8、12、16时,其在锂离子电池中循环50次之后的放电比容量分别为314.7 m Ah g-1、287.3 m Ah g-1和275.8 m Ah g-1,聚吡咯的包覆对复合材料起到了良好的改性作用,当高比表碳气凝胶和吡咯质量比为8时,整体材料的电化学性能最好。
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