纳米结构sno_2基复合纤维及其储锂性能研究

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1、分类号：密级：研究生学位论文论文题目（中文）纳米结构SnO2基复合纤维及其储锂性能研究FabricationofnanostructuralSnO2based论文题目（外文）compositefibersforListorageapplication研究生姓名谢文合学科、专业物理学·凝聚态物理研究方向新能源材料和器件学位级别博士导师姓名、职称贺德衍教授论文工作起止年月2012年9月至2017年5月论文提交日期2017年4月论文答辩日期2017年6月学位授予日期校址：甘肃省兰州市纳米结构SnO2基复

2、合纤维及其储锂性能研究中文摘要锂离子电池是目前使用最广泛的二次电池，全球每年生产几十亿只锂离子电池并应用到各种电子产品上，因此，进一步提高锂离子电池的性能具有显著的经济效益和社会效益。目前商用的锂离子电池负极材料主要是石墨，但存在两个明显的缺点：较低的理论比容量和过低的嵌锂电位，导致锂离子电池较低的比容量和安全隐患。SnO2是一种应用潜力巨大的负极材料，传统上认为其理论比容量为780mA-1-1hg，但近年来研究发现，其理论比容量可达到1493mAhg。然而，由于SnO2在锂化/去锂化过程中巨大的

3、体积变化和自身较差的导电性等问题，导致电极材料粉化和反应活性低下。而且，实现SnO2与Sn的转换反应可逆是其达到更高理论比容量的前提。针对上述问题，本论文基于SnO2与碳材料的复合，通过材料的纳米结构设计、静电纺丝制备技术优化、多巴胺自发聚合包覆和碳化以及氧化物的刻蚀等，探索制备出多种SnO2基复合纳米纤维，研究了这些具有特殊纳米结构的电极材料的电化学反应机理和性能。1.碳包覆的SnO2/Fe3O4复合纳米纤维采用静电纺丝技术制备了SnO2/Fe2O3复合纳米纤维，利用在室温水浴弱碱环境中多巴胺会

4、自发在纤维表面聚合特性，制备出碳化聚多巴胺包覆的SnO2/Fe3O4复合纳米纤维。作为负极材料用于锂离子电池半电池时，这种碳包覆-1的SnO2/Fe3O4复合纳米纤维电极具有优异的循环性能和倍率性能。在100mAg-1-1的电流密度下循环80次后容量为850mAhg；在1600mAg的电流密度下电-1极的可逆容量为402mAhg。循环后的碳包覆SnO2/Fe3O4复合纳米纤维，其结构基本上保持完整。2.碳包覆的富含孔隙的SnO2复合纳米纤维采用静电纺丝技术并结合包覆和刻蚀工艺，制备了碳化聚多巴胺包

5、覆的富含孔隙的SnO2/voids@C复合纳米纤维。纤维内部形成的孔隙极大地缓冲了SnO2体积膨胀导致的应力，内部的碳骨架阻止了SnO2纳米颗粒的团聚，外部的碳包覆层有利于形成稳定的固体电解质相界面膜。实验表明，在锂离子电池半电池中，ISnO2/voids@C复合纳米纤维电极上发生的SnO2与Sn的转换反应是高度可逆的，-1首次库伦效率高达73.5%，经过200次循环后可逆容量为986mAhg，具有优异的电化学储锂性能。以该电极为负极、商用LiCoO2为正极组装了锂离子电池全电池，证明了在全电池中

6、SnO2与Sn的转换反应同样可逆。3.多孔SnO2/C复合纳米纤维以聚丙烯腈（PAN）作为碳源，正硅酸乙酯（TEOS）作为牺牲模板的前驱物，采用静电纺丝技术并结合碳化和刻蚀工艺，制备出多孔的SnO2/C复合纳米纤维。电化学测试表明，这种复合纳米纤维电极作为锂离子电池半电池的工作电-1极时，首次库伦效率为70.8%，在300mAg的电流密度下130次循环后的可逆-1容量为735mAhg。较高的首次库伦效率和较大的可逆比容量同样源于SnO2与Sn的可逆转换反应。4.多孔碳纳米纤维考虑到多巴胺优异的人体

7、相容性，以碳化聚多巴胺包覆的SnO2/Fe3O4复合纳米纤维作为前驱物，通过优化刻蚀工艺，制备出含有大量孔隙结构的碳纳米纤维，并研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学特性。电化学测试表明，这种-1纳米结构的碳纤维具有极高的储锂容量，在0.2Ag的电流密度下循环150次后-1的可逆容量高达1324mAhg。这主要是因为碳化聚多巴胺材料中含有较高浓度的N、O元素，容易形成缺陷和官能团，且大量的微腔有利于锂离子存储。关键词：锂离子电池，负极材料，静电纺丝技术，孔隙，SnO2的可逆转换反应IIFabric

8、ationofnanostructuralSnO2basedcompositefibersforListorageapplicationAbstractLithiumionbatteries(LIBs)arethemostwidelyusedrechargeablebatteries.Everyyear,billionsofLIBsareproducedandappliedtovariouselectronicdevices.Thus,increasingtheperformanc