碳复合锑基负极材料的原位合成及其电化学性能研究

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1、学校代号：10255学号：2160414东华大学碳复合锑基负极材料的原位合成及其电化学性能研究学院：材料科学与工程学院学科专业：材料工程作者姓名：田军舰导师：刘天西完成日期：2018.4.15东华大学田军舰硕士学位论文答辩委员会成员名单姓名职称职务工作单位李光教授答辩委员会主席东华大学朱盛菁教授级高工答辩委员会委员上海晶尔玻璃技术有限公司陈仕艳教授答辩委员会委员东华大学李耀刚教授答辩委员会委员上海教育评估院王丽娜副教授答辩委员会委员东华大学肖茹教授答辩委员会委员东华大学于俊荣教授答辩委员会委员东华大学樊玮讲师答辩委员会秘书东华大学东华大学硕士

2、学位论文碳复合锑基负极材料的原位合成及其电化学性能研究摘要随着科技发展与社会进步，可逆充放电二次电池作为各种便携式的移动设备和相对固定的能量储存站的能量存储设备，得到了越来越多人的关注。负极材料作为锂离子电池（LIBs）的一个关键部分，决定着LIBs的电化学性能。石墨是商业化的LIBs负极材料，理论比容量仅为（372mAhg-1），难以达到新型的交通工具的要求。因此寻找具有高容量、高倍率性能以及优秀的充放电效率的LIBs负极材料迫在眉睫。锑（660mAhg-1）和锡（990mAhg-1）具有较高的理论储锂容量和较低的嵌锂电位，被认为是非常有潜

3、力的锂离子电池负极材料。但是锑基和锡基负极材料在锂化过程中严重的体积变化导致电极材料极易破裂并从集流体上脱落，造成电池容量衰减、循环性能恶化，从而限制了其商业化发展及应用。针对以上问题，本课题拟通过原位合成碳复合锑基负极材料作为LIBs材料来提高其储锂性能。本论文具体研究内容分为以下三个部分：1.通过置换反应溶剂热法合成微米球状的三氧化二锑（Sb2O3），再将其与有机高分子聚合物的混合物于惰性气体（Ar）保护下一步煅烧，原位还原反应制备得到微米球状锑-碳（Sb-C）负极材料。该材料具有一次纳米粒子构成的微米球状结构，其优势在于：微米球状结I东

4、华大学硕士学位论文构的锑基材料是由碳包覆的锑基纳米粒子组成，碳的包裹能够提高电极材料的导电性且有效抑制电极在电化学循环中的体积变化与粉化；电极材料较大的振实密度得以保证，从而保障电池能量密度。电化学测试结果表明碳复合锑基材料展现出较优异的循环稳定性及倍率性能。在100mAg-1的电流密度下循环50圈，电池的比容量保持在465mAhg-1，循环300圈，依然可以保持300mAhg-1的可逆比容量；在更高的电流密度下（500mAg-1），电池仍可稳定运行。2.通过置换溶剂热法合成纳米棒状三氧化二锑-碳纳米管(Sb2O3-CNT)，再将其与有机高分

5、子聚合物的混合物于惰性气体(Ar)保护下一步煅烧，通过原位还原反应制备得到三氧化二锑-碳纳米管-碳（Sb-CNT-C）复合材料。该材料由原位碳复合的锑纳米颗粒均匀的分布在碳纳米管上，将锑基材料纳米化并进行碳复合进一步提高了材料的性能。用在LIBs负极材料时，Sb-CNT-C负极材料在100mAg-1的电流密度下，循环50圈，电池的比容量保持在516mAhg-1，循环500圈，依然可以保持486mAhg-1的可逆比容量；在更高的电流密度下（500mAg-1），电池仍可以保持较高的容量，具有优异的倍率性能。Sb-CNT-C负极材料优异的性能主要归

6、因于CNT形成互通导电网络以及连续的无规则的碳包裹。3.通过溶剂热法合成三氧化二锑-二氧化锡（Sb2O3-SnO2）复合前驱体，再将有机高分子聚合物与Sb2O3-SnO2复合纳米颗粒前驱体的混合物于惰性气体(Ar)保护下一步煅烧，制备得原位碳复合SnSb-C纳米材料。高温还原生成的SnSb合金均一的附着在无规则的碳质上。II东华大学硕士学位论文合金颗粒中的锑相和锡相都具有电化学活性并且都对理论容量有所贡献，进一步提高了电池的比容量。在LIBs中，SnSb-C材料在100mAg-1下循环50圈，电池的比容量保持在670mAhg-1，循环500圈

7、，依然可以保持504mAhg-1的可逆比容量；在更高的电流下（500mAg-1），电池仍可以保持非常高的比容量，倍率性能较好。纳米SnSb-C优异的性能主要归结于无规则的碳包裹和合金颗粒能够缓冲电化学反应电极材料的体积变化以及团聚和粉化。关键词：锑基材料，原位合成，碳包覆，电化学性能III东华大学硕士学位论文INSITUSYNTHESISANDELECTROCHEMICALPERFORMANCEOFANTIMONY-BASEDANODECOMPOSITESABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechno

8、logyandsocialprogress,thereversiblecharge-dischargesecondarybatteryasavarietyofpor