纳米锡碳复合材料的制备及其储锂电化学性能研究.pdf

摘要

随着电动车市场的兴起和对清洁能源的需求增加，锂离子电池受到了广泛的关

注。电极材料是影响锂离子电池性能好坏的重要因素，锂离子电池负极材料种类很

多。石墨作为第一代负极材料，其性能稳定性好，但容量仅为372mAh/g。锡基负极

材料由于其994mAh/g的高理论容量备受关注。但由于在脱嵌锂过程中会产生很大

的体积膨胀，容易发生粉化现象，导致电池容量损失、循环性能差等问题。为了缓

解这一问题，通常采用以下措施：纳米化、合金化、碳包覆等。本论文将Sn基材料

和碳材料复合，并对其结构进行优化设计，分别采用水热法和溶胶凝胶法来制备介-

孔碳包覆锡复合材料和中空碳包覆锡复合材料，并对两种复合电极材料进行多种表

征及电化学性能测试。本论文主要的研究内容如下：

1SnCl2HO

（）本课题以2·2为锡源，酚醛树脂为碳源，通过水热法制备了一种

具有多孔结构的碳包覆锡复合材料。多孔碳具有良好的孔隙连通性和较大的孔道直

+

径，能够促进电解液中Li的快速传输和扩散，提高电池的功率密度和使用寿命。实

Sn

验结果表明，复合材料中锡（）含量、热处理温度、热处理时间等因素均会对电

SnSn

极材料的电化学性能造成影响。含量过低的样品比容量不高，而含量过高的样

品则稳定性较差，热处理条件会造成材料孔结构和导电性的明显差异。在Sn含量为

60%7004h

、热处理温度为℃、热处理时间为的最佳条件下制备出的样品具有最优

100mA/g100350

的电化学性能。其在的电流密度下，次循环之后储锂容量保持在

mAh/g左右。在1A/g的高电流密度下，电池容量仍可以达到196.3mAh/g，当电流

密度恢复至100mA/g的小电流时，容量能够很快恢复到402.1mAh/g，展现出良好

的结构和性能稳定性。

（2）采用溶胶-凝胶法制备了一种具有中空结构的碳包覆锡复合材料。中空碳在

Sn

包覆过程中起到屏障的作用以防止金属颗粒之间的聚集；中空碳的空隙空间较大，

能提供大量的通道和空隙，有利于电解液的渗透以及锂离子的传输，在反应的过程

中Sn金属颗粒经历体积变化而碳壳不会发生塌陷；中空碳自身也是一种可以用来额

外存储锂离子的活性材料。结果表明，酚醛树脂聚合温度、聚合时间、热处理温度

等因素均会对电极材料的电化学性能造成影响。酚醛树脂聚合温度、聚合时间主要

影响碳球结构及复合材料中Sn的含量；热处理温度主要影响碳层导电性和Sn颗粒

854h700

尺寸大小。在聚合温度为℃、聚合时间为、热处理温度为℃的最佳条件

I

下制备出的样品，具有中空碳包覆的典型结构，其中Sn颗粒尺寸为15nm左右，碳

球尺寸为100nm左右。该材料在100mA/g的电流密度下，经过150次循环后放电

630mAh/g99.1%10

比容量在左右，库伦效率为，充放电比容量在循环圈后可基本

保持稳定。该材料也有着良好的倍率性能，在100mA/g、200mA/g、400mA/g、700

mA/g1A/g577.4mAh/g482.5mAh/g384mAh/g322.1

、的电流密度下，容量为、