锂离子电池锡基合金负极材料的研究

论文摘要

本文首先系统概述了锂离子电池及其负极材料的研究进展。自从锂离子电池商品化以来,已经广泛应用于电子产品中,为了满足纯电动汽车和混合电动汽车的发展,必须寻找新的负极材料。锡基材料就是一种低成本、高比容量、高稳定性、高安全性的新型锂离子电池负极材料,一直被受人们的关注。本文运用化学镀和电镀制备一系列铜锡负极材料为研究对象,运用EDS、XRD、SEM等分析测试技术对制备的材料进行了成份分析、表面结构和形貌表征,以库伦效率、质量比容量、循环性能及稳定性等为主要性能指标,对该系列材料进行了系统的评价和研究。通过化学镀法制备得到锡薄膜电极材料,首次放电容量高达885.7 mAh/g,首次库伦效率仅为84.7%,除首次循环外,库伦效率一直维持在90%以上。经过100周循环后放电容量为465 mAh/g。锡薄膜电极材料经过热处理后形成CuSn合金,虽然热处理后锡薄膜电极的首次充放电容量有所降低,但是循环性能有了很大的改善。在铜粉表面通过化学镀法制备得到铜锡电极材料,铜锡粉末颗粒度大小分布较为均匀,铜锡粉末表面锡的质量分数为14.1%。电极首次放电容量为275.4mAh/g,适当增大电位窗口,使锂的嵌入量增加,能有效的抑制了电极材料的体积膨胀,从而显著提高了它的循环性能。采用电镀法制备的锡电极体积膨胀现象严重,容量衰减很快,循环性能不佳。碳的掺杂改变了锡电极表面的性状,虽然掺碳锡电极中碳的含量较少,却能极大提高电极的容量,首次放电容量为519.3 mAh/g,第30周以后电极容量趋于稳定保持在140mAh/g,掺杂的碳有利于提高电极的循环稳定性。热处理后的掺碳锡电极形成Cu6Sn5合金,碳的掺杂显著地提高热处理后锡电极的嵌锂和脱锂的能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的研究进展
• 1.2.1 锂离子电池发展史
• 1.2.2 锂离子电池的特性
• 1.2.3 锂离子电池结构及工作原理
• 1.2.4 锂离子电池正极材料的研究
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.3.1 碳素材料的研究
• 1.3.2 金属氮化物材料
• 1.4 锂离子电池锡基负极材料研究进展
• 1.4.1 锡基负极材料的特性
• 1.4.2 锡基合金合金材料的研究
• 1.5 本实验的研究目的及主要内容
• 第二章 实验方法与仪器
• 2.1 材料制备及处理方法
• 2.1.1 化学镀法
• 2.1.2 电镀法
• 2.2 电极制备与电池的装配
• 2.2.1 电极的制备
• 2.2.2 电极的热处理
• 2.2.3 电池的装配
• 2.3 电化学性能测试
• 2.3.1 充放电测试
• 2.3.2 循环伏安测试（CV）
• 2.4 材料的形貌与组成表征
• 2.4.1 X射线衍射分析（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜分析（SEM）与能谱分析（EDS）
• 2.5 实验仪器与试剂
• 第三章 化学镀法制备铜基锡薄膜材料的研究
• 3.1 引言
• 3.2 铜箔基体预处理方案
• 3.3 化学镀液成分及工艺条件
• 3.4 锡薄膜电极材料的制备
• 3.5 锡薄膜电极材料的表征
• 3.6 锡薄膜电极的充放电性能
• 3.7 锡薄膜电极的电化学性能
• 3.8 不同沉积时间对锡薄膜电极的影响
• 3.9 不同放电电流对锡薄膜电极的影响
• 3.10 热处理对锡薄膜电极的影响
• 3.11 本章小结
• 第四章 化学镀法制备铜锡粉末材料的研究
• 4.1 引言
• 4.2 铜锡粉末材料的制备
• 4.3 铜锡粉末材料的表征
• 4.4 铜锡电极的循环性能
• 4.5 铜锡电极的电化学性能
• 4.6 不同放电电流对铜锡电极的影响
• 4.7 不同截止电压对铜锡电极的影响
• 4.8 热处理对铜锡电极的影响
• 4.9 本章小结
• 第五章 电镀法制备锡电极材料的研究
• 5.1 引言
• 5.2 电镀液成分及工艺条件
• 5.3 锡电极材料的制备
• 5.4 锡电极材料的表征
• 5.5 锡电极的充放电性能
• 5.6 锡电极的电化学性能
• 5.7 不同电镀时间对锡电极的影响
• 5.8 不同电镀温度对锡电极的影响
• 5.9 不同电镀电流密度对锡电极的影响
• 5.10 热处理对锡电极的影响
• 5.11 本章小结
• 第六章 电镀法制备掺碳锡电极材料的研究
• 6.1 引言
• 6.2 碳材料的预处理
• 6.3 掺碳锡电极材料的制备
• 6.4 掺碳锡电极材料的表征
• 6.5 掺碳锡电极的循环性能
• 6.6 掺碳锡电极的电化学性能
• 6.7 不同放电电流对掺碳锡电极的影响
• 6.8 不同截止电压对掺碳锡电极的影响
• 6.9 热处理对掺碳锡电极的影响
• 6.10 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表文章