磁控溅射制备锡基化合物负极材料及其性能研究.pdf

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1、目录目录S录I摘要1Abstract3第一章绪论51.1锂离子电池简介51.1.1引言51.1.2锂电池发展进程51.1.3锂原电池和锂离子电池51.1.4聚合物锂离子电池61.1.5锂电池的特点61.1.6锂电池的研究与发展前景71.2锂离子电池原理及发展状况71.2.1锂离子电池电位81.2.2锂离子电池电解质81.2.3锂离子电池负极材料91.2.3.1碳负极材料91.2.3.2锡基负极材料101.2.3.3含锂过渡金属氮化物111.2.3.4锂合金电极材料111.2.3.5纳米氧化物材料121.4本论文研究的内容和意义12第二章材料制备和表征方法142.1磁控溅射142.1.1溅射理

2、论142.1.2工作原理142.1.2.1磁控溅射中的辉光放电142.1.2.2溅射率152.1.2.3溅射原理152.1.3磁控溅射的工作原理162.2循环伏安和充放电循环172.2.1直流充放电测试172.2.2循环伏安(CV)测试172.3薄膜表征方法18目录2.3.1X-射线衍射182.3.2扫描电子显微镜192.3.3拉曼光谱202.3.4X-射线光电子能谱212.3.5透射电子显微镜21第三章磁控溅射制备Sn2P207用于锂离子电池负极材料的研究233.1引言233.2Sn2P207薄膜的制备与表征233.2.1Sn2P207薄膜的制备233.2.2Sn2P207薄膜的表征243

3、.2.3Sn2P207的电化学测量243.3结果与讨论243.4Sn2P207薄膜电极的锂电机理研究293.5本章小结30第四章磁控溅射法制备UPON包覆的SnC204薄膜负极材料的电化学性能和机理研究334.1引言334.2SnC204薄膜的制备和表征334.2.1SnC204薄膜的制备344.2.2SnC204薄膜的表征344.2.3SnC204薄膜的电化学测量354.3SnC204电极的电化学行为354.4SnC204电极的表征364.4.1SnC204电极的结构表征364.5SnC204薄膜电极的锂电反应机理研究404.6本章小结40第五章总结与展望43附录攻读硕士期间科研成果发表情

4、况45致谢46摘要磁控溅射制备锡基化合物负极材料及其性能研究摘要锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命和环境友好等优点现已成为手机、Mp3播放器、笔记本电脑、数码相机和摄像机等便携式设备的主要电源。近年来，电动工具、电动助力车和电动汽车等领域的迅速发展为锂离子电池提供了良好的应用前景，但同时对锂离子电池的性能也提出了更高的要求，这些性能包括能量密度、循环寿命、环境相容性以及价格和安全性等。由于碳负极材料的理论储锂比容量为372mAh/g,相对较低，因而无法进一步达到功率高、容量大的锂离子电池的要求。所以人们幵始对非碳负极材料进行研究和幵发，发现金属锡的理论储锂比容量高达994mAh/g，从而引

5、起人们很大的研究兴趣，但由于作为锂离子电池负极材料，在充放电过程中因其循环寿命短而无法用于实际的生产中。锡基纳米材料是近年来研究的热点之一，由于其具有低电位、非常平的反应平台、相对较好的循环性能和大的容量特性。目前已有大量的锡基纳米材料的锂电性能研究报道，这些报道大多集中在结构和形貌有所改善的Sn02、碳包覆的Sn02纳米复合材料以及过渡金属和金属氧化物掺杂的Sn02复合物上。为了缓解锡锂合金反应的体积膨胀，我们设想具有一定结构的锡基化合物，它能使锂离子自由嵌入脱出，同时保持原来的结构，充电后能回到初始状态。基于这种考虑，我们设计并利用磁控溅射手段制备了Sn2P207、SnC2(V薄膜纳米负

6、极材料，并进行了相关测试。作者最先用Sn2P207靶在氩气气氛下进行反应磁控溅射从而沉积于不锈钢基片上，将取得的薄膜分别进行了XRD、TEM、XPS等表征确定了其主要成分为无定形态Sn2P207。经电化学测试知，它具有很髙的可逆容量，可达887mAh/g(每分子式Sn2P207对应12.8U)并有很好的循环性能。这个容量远高于j.YangLee等人报道的52_0mAh/g以及理论值572mAh/g。CV曲线显示其经历多步反应机制并在1.5V以上发现了一对新的氧化还原峰，主要对应可逆反应Sn2P207+4Li++4e-<一>2Sn+U3P04+LiP03。其后使用XRD,TEM&SAED以及X

7、PS对电极的充放电产物进行了研究，揭示它高度可逆的反应机理。Sn2P207中活性物质Sn对应87g/mol的P03.5，SnC204中活性物质Sn对应88g/mol的（：2042_，理论上两种化合物的质量比容量相差不大，我们选择snc204作为研究对象一方面是很少有文献报道这种化合物的电化学行为，另一方面是为了和Sn2P207做比较。同样我们使用磁控溅射将SnC204靶溅射到不锈钢基片上，将取得的薄膜进行CV