高容量、长寿命Sb_Sn基钠离子电池负极材料的可控制备及电化学性能研究

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1、硕士学位论文高容量、长寿命Sb/Sn基钠离子电池负极材料料可控料的可控制备及电化学性能研究作者姓名王冠华学科专业环境工程指导教师刘美林教授所在学院环境与能源学院论文提交日期2018年5月TheControllableSynthesisandElectrochemicalPerformancesStudyofHihg-CapacityandLongCycle-LifeSb/Sn-BasedAnodeMaterialsforSodiumIonBatteryADissertationSubmittedfortheDegreeof

2、MasterCandidate：GuanhuaWangSupervisor：Prof.MeilinLiuSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TM911.3学校代号：10561学号：201520132565华南理工大学硕士学位论文高容量、长寿命Sb/Sn基钠离子电池负极材料的可控制备及电化学性能研究作者姓名：王冠华指导教师姓名、职称：刘美林教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：环境工程研究方向：新能源储能材料与器件论文提交日期：2018年5月4日论文答辩日期

3、：2018年6月7日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：尹华教授委员：牛晓君教授、卢桂宁研究员、黄碧纯教授、秦玉洁教授摘要钠离子电池作为一种比锂离子电池更为廉价的二次电池，在大规模静态储能领域钠离子电池正成为锂离子电池的最优替代品之一。但大多数适用于锂离子电池的负极材料并不适用于钠离子电池，因此，目前研究热点便投向了具有较高的理论容量的合金类与转化类材料（Ge、Sn、Pb、P、Sb、Bi）用作钠离子电池负极材料。但随着充放电反应的进行，这两类电极材料体积变化也随之增大，结构的稳定性被破坏，从

4、而使其循环稳定性变差。基于此，本论文致力于开发高容量、长寿命的Sb/Sn基钠离子电池负极材料，并对其储钠性能进行了研究，该研究工作对推动钠离子电池负极材料的开发和商业化应用具有重要意义。首先本工作选取了理论比容量较高，且本身为较稳定层状结构的单质锑作为研究课题，并采用海藻酸钠酸钠作为创新碳源以实现碳包覆，成功制备具有较高储钠容量和良好循环性能Sb/C和NiSb/C复合材料。通过本法制备的多孔Sb/C材料在0.5和2.0Ag-1的电流密度下200次后的容量保持率分别为86.2%和81.4%。多孔空心纳米球状NiSb/C材料在

5、1.0Ag-1的电流密度下循环400圈后，容量仍高达344.7mAhg-1，容量保持率为94.3%，通过引入金属镍虽牺牲了少许容量，但其构造的纳米空心结构使单质锑基材料的循环稳定性得到了较大的提升。接着，为进一步提升材料的储钠容量，便选择了转化型硫化锑材料作为研究对象，并通过创新的硫掺杂石墨烯的方法，改变石墨烯表面非极性的特点，提高硫化物与石墨烯的结合力，以最大程度上解决活性材料与石墨烯剥离以及后续的团聚等问题，改善材料的循环性能。制备的多孔Sb-12S3/SGS钠离子电池负极材料，0.1Ag电流密度下，Sb2S3材料首次

6、充电比容量是792.8mAhg-1，900次循环后，容量为524.4mAhg-1，容量保持率为83.1%。本研究中提出的创新的控制结晶法为相关负极纳米复合材料的制备提供了重要借鉴。与Sb2S3相似，SnS也具有高容量的优点，而且具有良好的层状结构，所以，本工作最后选择了更适合用于长寿命钠离子电池负极材料的SnS作为研究对象，并采用一种简单、高效的方法制备出SnS与三维氮掺杂石墨烯（SnS/3DNG）的复合材料，该法通过PDDA功能化改变氧化石墨烯表面极性，以通过静电吸附作用，有效提升材料的分散性。根据电化学测试可证明通过本

7、法合成的SnS/3DNG表现出所有已报道的锡基材料最好的循环性能。SnS/3DNG材料在2.0Ag-1的大电流密度下循环1000次容量仍高达509.9ImAhg-1，容量保持率为87.0%。同时，本文采用第一性原理计算，证明氮掺杂石墨烯对SnS及其放电产物具有更强的亲和力与固定作用，能最大程度上解决活性材料与石墨烯剥离以及后续的团聚等问题，改善材料的循环性能。总之，本工作提出的解决思路可以应用于其他复合材料的制备及其在能量储存与转换器件中的应用。关键词：钠离子电池；负极材料；锑基材料；锡基材料；改性石墨烯IIABSTRAC

8、TSodiumionbatteries(SIBs)haveattractedsignificantattentionsasapromisingalternativetolithiumionbatteries(LIBs)forlarge-scaleenergystorageduetotheirinhere