二氧化锡及其复合材料的可控制备与储锂性能研究

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因其理论比容量高、成本低廉及环境友好等特点,SnO2作为潜在的锂离子电池负极材料受到极大的关注,但其循环过程中的导电性差、体积效应及容量衰减等问题严重限制了其商业应用。为了改善SnO2负极材料的储锂性能,本文通过调控形貌及优化复合成分,可控制备了多孔立方和球形形貌的微米SnO2及其复合材料,并通过XRD、SEM、BET、TEM、XPS、Raman、粒度分析和电化学测试等手段对其结构、形貌及储锂性能进行了表征和深入的研究。主要内容如下:(1)微米级多孔立方状SnO2制备及储锂性能研究。通过微波液相沉淀方式,制备了微米级多孔立方状的SnO2(M-SnO2)。详细比较了微波辅助合成的M-SnO2和水浴方法制备的纳米颗粒状W-SnO2的形貌、结构及储锂性能,发现M-SnO2的储锂性能要明显优于W-SnO2,并且前者在0.1 A/g的电流密度下,循环100次后其放电比容量可保持在512 mAh/g,在4 A/g的大电流密度下其放电比容量高达407 mAh/g。M-SnO2具有更好的储锂性能主要归因于其多孔立方的结构和形貌,不仅有利于锂离子和电子的快速传输,还能极大缓冲循环过程中的体积膨胀,进而增强材料的结构稳定性和循环性能。(2)SnO2微米球及其复合材料的可控制备和储锂性能研究。借助微波液相反应,优化反应添加剂正丁醇、多壁碳纳米管(MWCNT)及铝盐的含量,分别合成了多孔SnO2微米球(N-SnO2)、SnO2-多壁碳纳米管(SnO2-MWCNT)及SnO2-Al2O3复合材料(SnO2-Al2O3)。研究表明,于优化条件下,在0.1 A/g下循环100次后,N-SnO2、SnO2-MWCNT及SnO2-Al2O3放电比容量分别为633、746和651 mAh/g,在大电流4 A/g下,其平均放电比容量分别能达到607、630和725 mAh/g,极大地提升了SnO2的储锂性能。而储锂性能的这种改善,可能归因于其多孔结构和复合成分,多孔结构有利于活性位点的增加和体积效应的缓冲,复合成分增强了复合材料的电导及协同效应。(3)多孔微米球结构的N-SnO2-Al2O3-MWCNT三元复合材料的制备及储锂性能研究。为了进一步改善SnO2材料的综合电化学性能,通过添加适量的正丁醇、多壁碳纳米管和氧化铝,制备了多孔微米球结构的N-SnO2-Al2O3-MWCNT(NSAC)复合材料。研究表明,NSAC复合材料要比纯SnO2材料具有更高的比容量和倍率性能,在0.1 A/g下循环100次后,放电比容量保持在764 mAh/g;在4 A/g大电流下,其平均放电比容量达到644 mAh/g。这是因为,正丁醇的添加提高了NSAC复合材料的比表面积,多壁碳纳米管的加入改善了导电性并增加了活性位点,Al2O3与SnO2产生了协同效应。
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