金属间化合物的电化学吸放锂性能研究

摘要

开发高容量、高循环稳定性的负极材料以取代传统的碳材料成为近年来锂离子电池研究的热点之一。本文旨在探索高容量的新型金属间化合物负极材料，并采用纳米技术和复合技术来改善它们的循环稳定性。 以SnCl2·2H2O和NiCl2·6H2O为原料，以NaBH4为还原剂，采用溶剂热法合成纳米Ni3Sn2。XRD结果表明，在Ni3Sn2的形成过程中，在150℃下形成的产物中所含有的单质Sn起到了中间体的作用，在240℃反应24h合成了单相的Ni3Sn2。SEM结果表明，合成的单相Ni3Sn2晶粒大小为30-50nm。纳米Ni3Sn2的首次充放电容量为386/136mAhg-1，且20次循环后，容量衰减较快。采用非原位XRD测试探讨了其低容量及容量快速衰减的原因。研究结果表明，在嵌锂过程中，单相Ni3Sn2会分解为单质Ni和Sn，其中Sn可以与锂离子反应形成Li-Sn合金，但是单质Ni会包覆在颗粒的表面形成一层钝化膜，阻止了Sn与锂离子进一步反应。在脱锂过程中，单质Ni和和脱锂后的单质Sn化合重新生成原始相Ni3Sn2。探讨了退火处理对于纳米Ni3Sn2的电化学性能的影响，研究表明，退火后纳米Ni3Sn2的晶化程度更高，并且表现出更好的循环稳定性。 以FeCl3·6H2O和SbCl3为原料，以NaBH4为还原剂，采用溶剂热法合成了FeSb2纳米棒。XRD结果表明，在250℃反应72h合成了单相的FeSb2。TEM和HRTEM结果表明，合成的FeSb2是直径为20-40nm，长度为0.2-1μm的纳米棒。FeSb2纳米棒的首次充放电容量为543/854mAhg-1，经过10次循环后，可逆容量保持在353mAhg-1，是首次可逆容量的65％。虽然首次库仑效率仅64％，但经过10次循环后基本稳定在90％，表现出较高的容量和良好的循环稳定性。非原位TEM结果表示，循环后的FeSb2纳米棒大部分逐渐粉化断裂。 以BiCl3和Te为原料，以NaBH4为还原剂，采用溶剂热法合成Bi2Te3纳米颗粒以及Bi2Te3纳米颗粒与多壁纳米碳管的复合材料。XRD结果表明，在150℃反应24h合成了单相的Bi2Te3以及Bi2Te3/MWNTs复合材料。SEM结果表明合成的Bi2Te3为细小晶粒堆砌的片状结构。此外，Bi2Te3/MWNTs复合材料中Bi2Te3与MWNTs形成微观缠绕结构。Bi2Te3纳米颗粒的容量较低，通过改变充电的截止电压来可以抑制相应的电化学反应，从而有效提高电极的循环稳定性。Bi2Te3/MWNTs复合材料与Bi2Te3纳米颗粒相比表现出更好的循环稳定性。 以SnCl2·2H2O、SbCl3和BiCl3为原料，以NaBH4为还原剂，采用低温湿化学法分别合成了单质Sn、Sb和Bi以及复合材料Sn/MWNTs、Sb/MWNTs和Bi/MWNTs。XRD结果表明，在65℃反应12h合成了各种目标产物。SEM结果表明，合成的复合材料中单质与MWNTs均形成微观缠绕结构。其中Sb和Sb/MWNTs的容量对比表明，复合化是提高电池容量和循环稳定性的有效途径。非原位TEM测试表明，金属基负极材料的容量损失主要发生在最初的几个循环内特别是首次嵌锂过程，此时活性材料的绝对体积变化最大，其粉化和剥落最严重。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章实验方法

第三章纳米Ni3Sn2的电化学吸放锂性能

第四章纳米FeSb2的电化学吸放锂性能

第五章Bi2Te3基复合材料的吸放锂性能

第六章金属基复合材料的吸放锂性能

第七章结论

参考文献

附录Ⅰ.硕士生学习期间完成的论文

附录Ⅱ.致谢