锡纳米阵列电极制备及作为锂电池负极的电化学性能研究

论文摘要

锂离子电池是目前性能最好的电池之一,负极材料的成功制备对锂离子电池至关重要。传统负极材料是石墨,锡基材料由于具有高的比容量而受到人们广泛重视,是最有希望的新一代负极材料。本文采用电化学沉积法在孔径为100nm的氧化铝模板内制备了锡纳米线阵列电极。利用扫描电子显微镜(SEM)对制备的纳米阵列电极微观形貌进行观测。用能谱分析(EDS)对纳米线成分进行检测。用X射线衍射仪和透射电子显微镜(TEM)及其选区电子衍射(SAED)对制备的锡纳米线的晶体结构进行表征。SEM检测显示所制备出的Sn电极为纳米阵列结构,站立于铜衬底表面,纳米阵列直径约为330nm,沉积20min后长度达到30μm。TEM及SAED结果显示制备的锡纳米线阵列是单晶结构,纳米线沿[200]、[400]晶面择优取向,属于四方晶系的锡石结构。论文应用循环伏安法对锡纳米线阵列作为锂离子电池电极的电化学行为开展研究,计算了电化学动力学特征参数交换电流密度、极化电阻和电子转移数,探寻锂离子在锡纳米线阵列中的嵌锂机理。研究结果表明锡纳米线阵列电极具有很高的电化学活性和结构稳定性,多次循环后阵列形态保持良好,与循环前的表面形貌无明显差异。这说明锡纳米线阵列电极在充放电循环的过程有很好的容纳体积变化的能力。论文还研究了直接将锡沉积成膜状时的循环伏安特性,发现薄膜作为锂离子电池电极容量逐渐增大的特点,扫描电镜观察表明,多次循环后薄膜电极的形态显著变化与其电化学特性有关。锡薄膜电极循环几次后会逐渐形成松散的孔隙状枝晶,这部分枝晶既能增大反应面积,也能保证与基底良好的接触,使得开始的几个循环容量不断增加,但反应进行到一定程度,锡枝晶不断粉化、脱落而与基体逐渐失去接触,使得容量逐渐下降。阵列电极在同一扫描速度下经多次循环后的峰值电位基本不变,即在电化学循环中电极反应速率不变,能保持快速的反应能力。在铜箔上沉积的锡薄膜电极,采用同样条件作电化学分析,峰值电位随着多次循环明显偏移,说明在电化学循环中,电极反应的速度和程度不同。提高扫描速度时,锡纳米线阵列电极合金化反应电位稍稍后移,电极的动力学响应性能好。这是由于随着扫描速度的增加,电极反应速率相应加快造成的。薄膜电极扫描速度增大时,合金化反应电位明显后移,在快速电化学反应中,电极动力学响应性能慢。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池概述
• 1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池负极材料
• 1.4 锂离子电池锡基负极材料
• 1.4.1 金属锡
• 1.4.2 锡合金
• 1.4.3 锡的氧化物
• 1.4.4 锡的复合氧化物
• 1.4.5 锡盐
• 1.5 电化学模板法制备纳米阵列结构
• 1.5.1 模板合成方法
• 1.5.2 电化学模板法
• 1.5.3 模板合成方法中所采用的多孔膜
• 1.6 电极过程动力学
• 1.6.1 电极反应速率的控制步骤
• 1.6.2 循环伏安电位扫描法
• 1.7 本论文的研究目的及内容
• 第二章 试验仪器和方法
• 2.1 试验仪器和设备
• 2.2 试验用品
• 2.3 电池的装配和电化学性能测试
• 2.3.1 锡纳米线阵列电极的制备
• 2.3.2 模拟电池的组装
• 2.4 测试及表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）及X射线能谱分析仪（EDS）
• 2.4.2 X射线衍射（XRD）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 电极电化学性能的测试
• 第三章 锡纳米线阵列和锡薄膜电极的分析与表征
• 3.1 铜衬底的分析与表征
• 3.2 锡纳米线阵列的分析与表征
• 3.2.1 SEM及EDS成分分析
• 3.2.2 XRD分析
• 3.2.3 TEM分析
• 3.3 锡薄膜的分析与表征
• 3.4 本章小结
• 第四章 锡纳米线阵列电极与锡薄膜电极的电化学性能
• 4.1 电化学测试体系
• 4.2 电流-电位曲线
• 4.2.1 锡纳米线阵列电极的循环伏安曲线
• 4.2.2 锡薄膜电极的循环伏安曲线
• 4.2.3 锡纳米线阵列电极与锡薄膜电极电化学活性对比
• 4.3 电极反应的可逆性分析
• 4.3.1 锡纳米线阵列电极
• 4.3.2 锡薄膜电极
• 4.4 循环后的锡纳米线阵列电极与锡薄膜电极的表面形貌分析
• 4.5 电极反应动力学特征参数分析
• 4.5.1 锡纳米线阵列电极
• 4.5.2 锡薄膜电极
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A:攻读学位期间发表的论文