磷化锡基复合材料的制备和电化学性能研究
化石能源的紧缺使人们开始广泛关注储能技术，开发可持续发展，绿色环保的新型储能装置成为当务之急。作为二次电池的代表，锂离子电池占据着市场的主导地位，目前已经在手机，电脑，电动汽车等设备上有了广泛的应用。然而，锂离子电池存在着铿资源的稀缺，安全隐患大，成本高等问题，限制了其在大规模生产装置上的使用。钠的自然资源丰富，使用成本低且拥有与锂相似的理化性质，因此钠离子电池可发展成为一种新型的二次电池。 磷化锡（Sn4P3）作为一种可以用于钠离子电池负极的材料，其理论比容量高达1132mAh/g，体积比容量高达6650mAh/cm3，包含的Sn和P两个活性元素可以共同参与储钠反应，同时Sn与P会产生协同作用。但是Sn4P3应用于钠电负极材料时，存在体积膨胀、循环性能衰减、不可逆容量较高等问题。为了提高Sn4P3的电化学性能，本文分别以三种不同结构的SnO2/碳基复合材料为前驱体，采用低温固相磷化法制备出三种电化学性能优异的Sn4P3/碳纳米复合材料: (1)通过简单的化学还原法，制备出具有良好空间网状结构的SnO2/石墨烯纳米复合材料。然后经过固相磷化的方法，得到Sn4P3/GA纳米复合材料。通过对比不同含量石墨烯复合材料的性能，最后确定石墨烯含量为24.6％的Sn4P3-GA纳米复合材料表现出超高的循环比容量，在0.1A/g下循环100圈后比容量仍有657mAh/g。 (2)采用水热法制备粒径尺寸约为300nm的SnO2空心球，对其进行多巴胺包覆后在进行碳化，得到中空结构的碳包覆SnO2，然后经过简单的低温固相磷化的方法制备出中空Sn4P3@C。当电流密度从0.2A/g增加到10A/g时，可逆容量为555mAh/g到93mAh/g。在0.2A/g下经过200次循环，比容量仍有372mAh/g，库伦效率接近100％。 (3)以核壳共形的SnO2@C为前驱体，通过固相磷化处理，得到核壳结构的Sn4P3@C。这种材料独特的空间结构，预留了足够的空间适应其在充放电过程中体积发生的巨大变化;外层厚度为30nm的碳壳增强了电子传输速率的同时，还保护了内部Sn4P3微球不被破坏，充放电过程中在碳壳层表面还会形成均匀的SEI膜更加有利于保持结构的完整性。在0.2A/g下循环300圈，比容量仍有420mAh/g。同时，倍率性能优异，最大充放电电流可达20A/g，且保持结构不被破坏。得益于这种特殊的空心核壳结构，Sn4P3@C在2A/g和5A/g的大电流密度下循环4000圈，还能稳定的保持比容量在205和103mAh/g。
钠离子电池;负极材料;磷化锡基复合材料;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
贾梦秋
2019
中文
TM912;TM242:TM205.1
2019-09-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）