基本信息
- 项目名称：
- 纳微晶核壳结构SnNi合金储锂材料合成及电化学性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 针对锂离子电池负极存在的缺陷进行合金材料的改进，采用高温固相还原法，合成电池负极材料Sn-Ni合金并对材料进行电化学循环性能研究。结果表现出很好的电化学循环性能，和较高的容量。
- 详细介绍：
- 随着能源的不断紧缺和环境污染加剧，研究和开发高性能的锂离子电池成为解决能源问题的有效手段之一，然而在大量的锂离子电池备选负极材料中，Sn基材料由于具有较高的的理论比容量、较大的压实密度和较安全的电压而成为研究的热点之一。然而，合金负极最大的问题在于充放电过程中产生的严重体积膨胀效应，该效应能导致电极材料粉化，降低电池的循环寿命。本研究针对锡基负极材料存在的缺陷进行改进，在单质锡中引入延展性较好的单质镍以增加锡的延展性和抗粉化能力。采用高温固相法合成纳微晶核壳结构Sn-Ni合金储锂材料，并对合成的材料用X射线衍射仪（XRD）、电镜扫描（SEM）、透射电镜扫描(TEM)对样品进行组成和形貌分析，并对材料进行电化学性能测试。结果表明材料的纳微晶核壳结构可以减小合金的比表面积，降低表面杂质、缓冲电极体积膨胀，增强了电化学循环性能。
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撰写目的和基本思路
- 锂离子电池存在严重的体积膨胀效应，这会降低锂离子电池的循环寿命，为了解决这个问题我们引入了惰性金属镍，Ni质地较软、延展性较好，将Ni与Sn合金化制备成活性/惰性SnNi合金电极，可以缓冲由于活性物质的体积变化而带来的机械应力，防止电极粉化。本研究采用碳热还原法合成Sn-Ni合金锂离子电池负极材料，并对其电化学性能展开研究。
科学性、先进性及独特之处
- 我们采用固相法合成纳微晶核壳结构Sn-Ni合金，该结构可以减小合金粉体的比表面积，减低表面杂质、缓冲合金电极的体积膨胀，有效的改善体积膨胀和首次不可逆容量大的问题。
应用价值和现实意义
- 锂离子电池是20世纪70年代以后发展起来的一种新型储能电池。由于具有高能量、长寿命、低消耗、无公害、物记忆效应以及自放电小，内阻小、性价比高、污染少等优点，锂离子电池在逐步应用中已显示出巨大的优势，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机、电动汽车、储能、航天等各领域。我们的研究致力于提高电池容量，提高电池循环性能。
学术论文摘要
- 随着能源的不断紧缺和环境污染加剧，研究和开发高性能的锂离子电池成为决能源问题的有效手段之一，而在大量的锂离子电池备选负极材料中，Sn基材料由于具有较高的的理论比容量、较大的压实密度和较安全的电压而成为研究的热点之一。然而，合金负极最大的问题在于充放电过程中产生的严重体积膨胀效应，该效应能导致电极材料粉化，降低循环寿命。本研究针对锡负极存在的缺陷进行锡基材料的改进，在单质锡中引入单质镍以增加锡的延展性和抗粉化能力。采用固相法合成具有疏松结构的、微米级球形Sn-Ni合金粉体，该结构可以减小合金粉体的比表面积，减低表面杂质、缓冲合金电极的体积膨胀。合成的材料用X射线衍射仪（XRD）和电镜扫描（SEM）进行样品的组成和形貌分析,发现固相900ºC时合成的Sn2Ni合金具有较好的性质，合金粉体无论从组成和形貌上又较Sn3Ni 和SnNi更为良好。
获奖情况
- 2011年05月30日在云南省第六届科技学术节参加比赛获得三等奖。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1]张金章,陈旭辉.石墨/氧化锡/活性炭锂离子电池负极材料的合成及性[J]. 化学研究.2010,21(3);28-30. [2]魏 巍，王久林，杨 军等.锂离子电池锡基负极材料的研究进展[J]. 化工进展. 2010, 29 (1);80-87. [3] GUO Hong, LIN Xue-fei, CHEN Yi-san .Synthesis and electrochemical performance of a novel nano sized Sn2SbNi composite[J]. Science Direct, 2010, 20:253-256. [4]李求忠，游东宏，谢鸿芳.Ni-Sn-Cu 合金负极材料的制备与研究[J]. 化学工程与装备.2010,1;11-13. [5]王连邦，康虎强，杨珍珍等.有机电解液对锉离子电池合金型负极材料性能的影响[J].化工学报.2008, 59（Sl）；6-10 [6]李求忠,陈峰,游东宏等.锂离子电池锡镍合金负极材料的掺杂改性[J].化学研究.2010，3（21）；32-34 [7]沈 丁,杨绍斌，张淑凯.锂离子电池锡钴和锡钴碳负极材料的研究进展[J]化工进展.2008,27(12);1982-1986. [8]何见超,赵海雷,贾喜娣等.锂离子电池Sn-Co合金负极材料的研究进展[J].化工学报.2009,5(60);1073-1079.
同类课题研究水平概述
- 袁庆丰等采用湿化学法制备了Sn−Ni 超细粉体粒子，在经过球磨后得到微米级双相Sn/Ni3Sn4 合金. 对材料进行电化学性能测试，合金有很好的首次库仑效率以及理想的首次充放电容量. Ma等[19]采用液相还原混合法将SnNi沉积在中间微碳球（CMS）上，制备出SnNi－CMS负极材料。首次放电容量达到400mAh/g，循环10次后衰减为320 mAh/g。 采用高能球磨法制备的纳米晶Ni3Sn2 合金,进行电化学性能测试首次放电容量为1520mAh/g ,超过了Ni3Sn2 的理论容量,原因可能在于纳米晶粒的大量晶界可以容纳更多的锂。但是这种材料的循环性能很差,40 次循环后容量仅有35mAh/g ,氩气气氛下1000℃、10h 热处理后,材料的首次放电容量为590mAh/g ,40 次循环的可逆容量245mAh/g。董全峰等[21]制备出的晶态和非晶态¬¬锡镍合金的形貌、结构和电化学性能区别很大。非晶态合金尽管首次放电容量达800 mAh/g,但电化学性能不理想。X.Q.Cheng等用球磨法制备出Ni3Sn4合金，并在合金上化学镀Cu。表面未镀Cu 的Ni3Sn4合金在前30 次充放电循环中较稳定， 其放电容量维持在200～240mAh/g，但是放电容量超过30次后循环后迅速下降. 穆道斌等采用电沉积法制备的锡镍合金最大放电容量为517mA•h/g,前20次充放电效率基本在92%以上。
