鋰-鈉離子電池錫基負極的研究.pdf

1、在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，化石燃料由于燃燒產(chǎn)生的大量有害物質(zhì)正嚴重威脅著我們的健康。逐步擺脫人類發(fā)展對化石燃料的依賴，改善地球的生態(tài)環(huán)境，成為當今社會的共識。太陽能、風能、潮汐能等可再生清潔能源成為未來代替化石燃料支撐人類社會進步的主要能量來源，而如何儲存這些能量成為整個能源領(lǐng)域發(fā)展過程中的重要環(huán)節(jié)。鋰離子電池以高能量密度、高電壓、低的自放電以及優(yōu)異的循環(huán)性能等優(yōu)勢成為消費電子領(lǐng)域主要的儲能設(shè)備。而在當今新能源的發(fā)展趨勢下，不能再僅僅

2、將其局限于消費電子領(lǐng)域，如何推動其在如汽車、電網(wǎng)等大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應用成為當今學術(shù)界和工業(yè)界共同的話題。在此推動力下，鋰離子電池的發(fā)展取得了一系列矚目的成就。但是全球鋰資源較為匱乏（地殼中的豐度不足0.0007％），分布不均，鋰源價格居高不下成為限制其發(fā)展的重要因素。開發(fā)新的儲能電池成為全球研究人員關(guān)注的課題，由于鈉與鋰處于同一主族，具有相似的電化學特性，并且鈉具有極大的經(jīng)濟優(yōu)勢，其在地殼中的豐度達到2.6%，因此鈉離子電池成為當今熱門

3、的儲能體系。Sn是為數(shù)不多的能同時應用于鋰/鈉離子電池的負極材料，具有很高的科研應用價值，本文主要對比了Sn基復合薄膜在鋰/鈉離子電池中的電化學性能，并研究了錫氧化合物在鈉離子電池中的電化學反應。對Sn及其衍生物在儲能電池中的作用有了進一步的認識
　　本文通過磁控濺射分別制備了純Sn薄膜以及Sn-Cu、Sn-Ti、Sn-C三種不同的Sn基復合薄膜。對于純Sn薄膜，首先探究了在鋰離子電池中首周容量損失與SEI膜容量的關(guān)系，并且結(jié)合不

4、同沉積時間純Sn薄膜SEM圖片解釋了SEI膜容量隨沉積時間非單調(diào)變化的原因，雖然增加沉積時間能夠減小純Sn薄膜的首周容量損失，但是同時也會降低薄膜的循環(huán)性能。然后探究了純Sn薄膜在鈉離子電池中的電化學性能，對比了在鋰/鈉離子電池中的電化學反應平臺以及循環(huán)性能，通過電化學反應過程中的薄膜表面形貌變化，說明純Sn薄膜在鈉離子電池中巨大的體積膨脹是導致其快速衰減的主要原因。
　　對于Sn基復合薄膜，探究了惰性成分的加入對其在鋰/鈉離子電

5、池中電化學反應平臺以及循環(huán)性能的影響。對于鋰離子電池，C u、Ti、C三種復合成分的加入會令原本明顯的Sn-Li合金化反應平臺變得模糊，但也能提高復合薄膜電極的循環(huán)性能，并且隨著復合成分的增加，循環(huán)性能的改善越明顯，雖然惰性成分的加入會使部分Sn失去活性，具體損失比例與惰性成分的種類、加入量有關(guān)，但總的來說并不嚴重。當Sn基復合薄膜應用于鈉離子電池中時，比容量的損失則變得十分嚴重，損失比例遠遠高于其應用于鋰離子電池中時，并且對于循環(huán)性能

6、的提高效果十分有限。這是由于鈉離子半徑遠大于鋰離子，造成其遷移困難以及 Sn-Na合金化后體積膨脹過大。
　　本文通過在空氣和氬氣氣氛下加熱分解草酸亞錫（SnC2O4）分別制得SnO2與SnO兩種主要的錫氧化合物，將其與乙炔黑混合后用作鈉離子電池負極，通過對比其在鋰離子電池中的反應過程，推導出其在鈉離子電池中的電化學反應方程式，并計算出其理論比容量，但是實驗證明，雖然兩種錫氧化合物在鈉離子電池中均存在電化學活性，但實際比容量均遠低