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SnO_2纳米管和Sn/C复合纳米纤维的制备及其应用

作　者: 张苏强
导　师: 刘向力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 一维纳米材料 静电纺丝 SnO2纳米管 Sn/C复合纳米纤维 锂离子电池
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


在各种移动设备和新能源技术不断发展的今天,可充电式高容量锂离子电池成为了社会发展的迫切需要,也一直是各国研究人员探索的重点领域之一。锡基材料具有很高的充放电容量,但是由于锂离子的嵌入和脱出过程会引起锡基材料的体积变化,限制了其在锂离子电池中的应用。将锡基材料制成纳米材料可能会改善它的体积效应,并有望代替碳作为锂离子负极材料来提高电池性能。本文首先系统介绍了纳米材料的基本内涵、性质和制备手段等相关内容,以及锂离子电池的基本原理;然后详细的阐述了SnO2纳米管和Sn/C复合纳米纤维这两种一维纳米材料的制备;最后采用了SEM、XRD、EDX、TEM和恒电流充放电等测试技术对材料的形貌、结构及其电化学性能进行了分析和探讨。具体研究工作如下:（l）以PVP和锡盐(SnCl2·2H2O和C16H30O4Sn)为主要原料,采用高压静电纺丝方法为主要技术手段并结合煅烧技术,成功制备了SnO2纳米管。结果表明,以PVP和SnCl2·2H2O作为主要原料所得产物为SnO2纳米管结构,随着SnCl2含量的增加,SnO2纳米管管壁厚度逐渐增加。采用在空气中不能水解的C16H30O4Sn替代SnCl2作为前躯体,煅烧后所得的产物为SnO2纳米纤维。由此推测SnO2纳米管的成管原因可能是由于由于煅烧前纤维表面的SnCl2在空气中缓慢水解,形成Sn（OH）Cl纳米粒子,这些表面的纳米粒子在随后的煅烧过程中起到了模板作用,最终SnO2纳米粒子聚集在纤维表面形成了管状结构。（2）以PAN和C16H30O4Sn为主要原料,高压静电纺丝方法并使用H2高温还原,成功制备了Sn/C复合纳米纤维。随着锡盐比例增大,纤维中的Sn粒子数量逐渐增多,并且粒子直径也不断增大。若锡盐比例过大,则会在纤维表面发生团聚现象,出现凸出的纳米粒子。（3）将所制备完成的SnO2纳米管和Sn/C复合纳米纤维作为锂离子电池的负极材料组装成为标准的CR2032型钮扣式电池并进行恒电流充放电测试。实验结果表明SnO2纳米管材料有非常大的首次充放电容量,但衰减严重。说明SnO2纳米管的中空纳米化结构并不能完全消除Li+在嵌入和脱出过程中产生的“粉末化”或“团聚”现象,不是一种理想的负极材料。而Sn/C复合纳米纤维首次充放电容量较大,而且经历10次循环后其容量趋于稳定,有较大的可逆充放电容量,表现出较好的电化学性能,是一种较好的锂离子负极材料。但若纤维中锡的比例过大,在纤维表面出现的Sn纳米粒子会在充放电过程中产生体积效应,充放电容量不会有明显的提升。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-25
  1.1 纳米材料简介  11-16
    1.1.1 纳米材料概述  11-13
    1.1.2 一维纳米材料概述  13-14
    1.1.3 一维纳米材料的常用制备方法  14-16
  1.2 高压静电纺丝法简介  16-19
    1.2.1 高压静电纺丝方法概述  16-18
    1.2.2 高压静电纺丝技术的主要原理  18-19
  1.3 锂离子电池简介  19-23
    1.3.1 锂离子电池的发展概要  19-20
    1.3.2 锂离子电池的基本原理  20-22
    1.3.3 锂离子电池锡基负极材料概述  22-23
  1.4 本文的主要研究内容  23-25
第2章 SnO_2纳米管的制备与研究  25-42
  2.1 SnO_2纳米管的制备  26-28
    2.1.1 实验主要材料及设备  26-28
    2.1.2 SnO_2 纳米管的制备方法  28
  2.2 SnO_2纳米管为负极材料组装锂离子电池  28-30
  2.3 SnO_2纳米管的形貌分析与讨论  30-38
    2.3.1 SnC1_2 纳米纤维的形貌  30-31
    2.3.2 SnO_2 纳米管的形貌分析  31-35
    2.3.3 SnO_2 纳米管的成管因素  35-38
  2.4 SnO_2纳米管的充放电性能分析  38-41
  2.5 本章小结  41-42
第3章 Sn/C 复合纳米纤维的制备与研究  42-58
  3.1 Sn/C 复合纳米纤维的制备  43-44
    3.1.1 实验主要材料及设备  43-44
    3.1.2 Sn/C 复合纳米纤维的制备方法  44
  3.2 Sn/C 复合纳米纤维为负极材料组装锂离子电池  44-45
  3.3 Sn/C 复合纳米纤维的形貌与讨论  45-52
  3.4 Sn/C 复合纳米纤维的充放电性能分析  52-56
    3.4.1 首次充放电性能  52-54
    3.4.2 循环性能  54-56
  3.5 本章小结  56-58
结论  58-60
参考文献  60-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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