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浅谈纳米二氧化锡在锂电池中的应用

  

  • 发布日期:
  • 2020/10/12 9:30:01
  • 内 容:
  • 纳米二氧化锡(VK-Sn30)由于对可见光具有良好的通透性,在水溶液中具有优良的化学稳定性,且具有特定的导电性和反射红外线辐射的特性,因此在锂电池领域也被广泛应用。

    纳米二氧化锡(VK-Sn30)是一种新的锂离子电池阳极材料。它不同于以往的碳阳极材料,是一种无定型的,同时又有金属元素存在的无机体系,微观结构是纳米级的无定型二氧化锡颗粒组成。纳米二氧化锡具有其独特的嵌锂特性,它的嵌锂机理与碳材料有着很大的差别。

    对二氧化锡的嵌锂机理现在有两种解释:第一种机理: 锂离子嵌入二氧化锡中发生还原反应,将四价锡还原成二价锡,然后锂离子继续嵌入生成亚锡酸锂。即:xLi+ +Sn02+xe- *LixSn02。第二种机理:在纳米二氧化锡嵌锂过程中,首先是锂离子嵌入二氧化锡材料中,发生还原反应,使这些无定型的纳米二氧化锡颗粒还原为纳米金属锡颗粒,然后锂子继续嵌入与金属锡形成合金。反应如下:4Li+Sn02+4e-→Sn+2Li20 YLi++Sn+ye-→LiySn

    就目前的研究来看,第二种机理的解释似乎更符合实验结果。
    纳米二氧化锡(VK-Sn30)的充放电表明, 第一周的循环中在0.7V产生一个大的不可逆平台,大约有700mAh. g-1的不可逆容量。这是由于锂离子嵌入纳米二氧化锡材料中发生了不可逆的还原反应。在以后的循环中,充放电循环呈良好的可逆过程,不同制备方法生成的纳米二氧化锡材料具有不同的可逆容量,大约在500800mAh.g-1。在不同电流密度下测试纳米二氧化锡的嵌锂可逆容量,发现即使在大电流1 mAh.g-1 的充放电下,纳米二氧化锡仍具有约200 300mAh. g-1的可逆容量。

    对纳米二氧化锡的嵌锂过程的研究表明,由于纳米二氧化锡(VK-Sn30)的颗粒为纳米级,并且其颗粒空隙间也为纳米尺寸,为锂离子的嵌入提供了很好的纳米嵌锂通道和嵌锂位置,因此纳米二氧化锡(VK-Sn30)具有大的嵌锂容量和良好的嵌锂性能,尤其是在大电流的充放情况下,仍具有较大的可逆容量。纳米二氧化锡材料为锂离子阳极材料提出了一个新的体系,它摆脱了以往停留于碳材料的体系,己引起了越来越多的注意和研究。

    此外,纳米二氧化锡(VK-Sn30)复合材料也是目前开发的一个热点,在制备SnO2材料的过程中,通过添加少量的掺杂剂,来改善其选择性和降低电阻率,或者SnO2作为掺杂材料。

    锡基材料是一种锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量,但由于其在充放电过程中巨大的体积变化导致锡基材料的循环稳定性很差。如何设计并制备出一种新颖的纳米复合结构电极材料,使其既能够展现出优异的锂离子存储能力,又能够在充放电循环过程中保持结构的稳定性,是当前锡基锂/钠离子电池研究领域的热点和难点。


    最近,华盛顿州立大学的研究人员利用石墨烯结构支撑的氧化锡纳米晶体,大大提高了电池性能。研究小组解释说,这项技术也可用于锂离子电池,使其更具吸引力。
    在他们的研究中,研究人员通过将致密的纳米二氧化锡(VK-Sn30)与三维石墨烯结构紧密结合,解决了衰减问题。据报道,他们的混合结构坚固,连接良好,多孔,允许更好地传输电子和离子。他们的研究表明,这种材料很大地提高了两种电池的充电容量和速率,混合材料“表现出优异的电化学性能”。研究人员还测试了电池的材料。
    无独有偶,去年7月华中科技大学光电学院硕士生敖翔在导师王春栋副教授的指导下采用了一种合理设计的双模板方法制备出了具有新颖结构的蜂窝状二氧化锡/碳复合电极材料。




    (a)蜂窝状二氧化锡/碳复合材料的扫描电镜图;
    (b)蜂窝状二氧化锡/碳复合材料的透射电镜图;
    (c)蜂窝状二氧化锡/碳复合材料在锂离子电池中的循环性能;
    (d)蜂窝状二氧化锡/碳复合材料在钠离子电池中的循环性能

    此方法采用了纳米二氧化硅小球作为模板,制备空心二氧化锡小球结构,同时采用立方形氯化钠模板得到片状碳结构,最终得到空心二氧化锡纳米小球镶嵌在层状碳薄膜当中的纳米结构。此结构中二氧化锡(VK-Sn30)具有较高的理论比容量且所设计的碳片能够有效地将二氧化锡小球连接在一起不仅有利于增强材料的导电性,促进电子或离子的传输,同时二氧化锡小球包覆在碳膜当中可对其体积膨胀起到一定的限制作用,二氧化锡小球中的空腔结构也会为它的体积膨胀提供一定的缓冲空间,这种合理的设计使得此电极材料表现出了非常优异的电化学性能在锂离子电池中。该材料在100 mA g-1的电流密度下循环100次后储锂容量和储钠容量分别达到928.9和251.5 mAh g-1,可见该材料具有良好的循环稳定性,及较高的储锂容量和储钠容量,具有一定的商业化潜力。
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