纳米碳纤维_锡基复合物的制备及电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201510141429分类号O646密级硕士学位论文纳米碳纤维/锡基复合物的制备及电化学性能研究学位申请人曲二丽指导教师肖启振教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二零一八年六月二日Preparationandelectrochemicalperformancesofcarbonnanofiber/Sn-basedcompositeforlithium-ionbatteriesCandidateErliQuSupervisorProfessorQizhenXiaoCollegeCollegeofChemistryProgramChemistrySp

2、ecializationPhysicalChemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDate2018.06.02摘要锂离子电池因具有许多显著的优势被广泛应用到小型电子产品中。在电动汽车、卫星、航空航天以及其他领域具有很好的应用前景。目前碳材料作为商用锂-1离子电池的负极材料，理论比容量低（372mAhg）。因此，开发新型锂离子电池负极材料和优化现有电池工艺是提高锂离子电池性能的基础。锡基负极拥有较-1高的理论比容量（994mAhg，约为碳材料的2.7倍）、低而稳定的电压平台、廉价的成本、丰富的资源与无毒无污染等

3、显著优势，是最有前途的非碳类负极材料之一。但在充/放电循环过程中，其巨大的体积变化会导致严重的粉碎效应，使电解液与电极之间失去接触，导致电化学性能较差，严重阻碍其进一步的应用。制备纳米级锡和锡基合金化合物是解决粉碎效应的有效方法，然而纳米级锡还不足以满足实际需要。研究表明锡基负极与碳材料复合是最有效的方法之一。目前碳材料包括不定形碳、石墨烯、碳纤维和碳纳米管等。碳材料可以充当屏障，提供一定的孔隙空间以容纳锡基材料体积的膨胀/收缩以及阻碍金属颗粒的团聚，同时碳能够改善其导电性。同轴碳纤维/金属复合材料具有高的导电率、好的柔韧性、高的比表面积和好的附着力等优点，同轴结构能够抑制锡基壳层

4、的体积效应和改善其电导率，进而改善循环稳定性。目前可控制备同轴结构复合材料的方法包括水热法、化学沉积法和电化学沉积等。其中电化学沉积是一种可控、简单和高效的材料合成方法。然而，目前几乎没有关于电化学沉积制备同轴碳纤维/锡基复合材料及其电化学性能研究的报道。本论文主要通过静电纺丝制备高性能的碳纳米纤维柔性薄膜，然后利用电化学沉积法在碳纳米纤维表面可控沉积锡及锡基合金，形成同轴碳纤维/锡基复合材料，进而对所制备复合物的结构及电化学性能进行研究。主要内容如下：（1）同轴碳纳米纤维/锡复合物的制备及电化学性能研究。首先利用静电纺丝的方法获得聚丙烯腈纳米纤维薄膜，低温预氧化后高温碳化得到碳纳

5、米纤维薄膜基体；然后在碳纳米纤维表面电化学沉积锡壳层形成同轴碳纳米纤维/锡复合物；最后对同轴碳纳米纤维/锡复合物进行结构表征和电化学性能研究。SEM与TEM结果表明厚度为20-30nm的锡壳能够均匀地沉积到碳纳米纤维的表面，同轴碳纳米纤维/锡相互交叉形成了三维网状结构。电化学性能研究表明，其前20次循环容量衰减较快；从第20次到第100次循环，放电比容量趋于稳定。第2-1-1次和第100次的放电比容量分别为1115mAhg和514mAhg，容量衰减率约为0.55%/次。I（2）同轴碳纳米纤维/锡/钴合金复合物的制备及电化学性能研究。为了抑制锡充放电过程中的体积效应和进一步改善其电化

6、学性能，采用电沉积的方法在碳纳米纤维表面沉积锡钴合金，形成同轴碳纳米纤维/锡/钴合金复合物（碳纳米纤维/活性/非活性合金），非活性材料钴可以作为框架缓冲锡的体积膨胀。SEM、EDS和TEM分析结果表明厚度为80-120nm的锡钴合金壳均匀地沉积到了碳纳米纤维的表面，形成了同轴碳纳米纤维/锡/钴合金三维网状结构，材料中锡、钴、碳的重量百分比分别为69.1%、22.3%和8.6%。充放电测试结果表明，同轴碳纳-1米纤维/锡/钴合金复合物第2次和第100次的放电比容量分别为1260mAhg和-1702mAhg，容量衰减率约为0.45%/次，具有优异的电化学性能。（3）同轴碳纳米纤维/锡/

7、锑合金复合物的制备及电化学性能研究。同轴碳纳米纤维/锡/钴合金复合物中含有非活性成分钴，会导致电极容量的损失，将锡与活性成分形成合金相则可避免或减少容量的损失。因此，改变合金的成分，采用电沉积法在碳纳米纤维表面沉积锡锑合金形成同轴碳纳米纤维/锡/锑合金复合物（碳纳米纤维/活性/活性合金）。SEM、EDS、TEM及XRD分析结果表明锡/锑合金壳沉积到了碳纳米纤维的表面，形成了同轴碳纳米纤维/锡/锑合金三维网状结构，该沉积层的厚度大约为60-80nm左右，材料中锡、锑、碳