淺談納米二氧化錫在鋰電池中的應(yīng)用

時(shí)間：2020-10-13作者：杭州萬(wàn)景新材料有限公司瀏覽：49

淺談納米二氧化錫在電池中的應(yīng)用

納米二氧化錫(VK-Sn30)由于對(duì)可見(jiàn)光具有良好的通透性，在水溶液中具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，且具有特定的導(dǎo)電性和反射紅外線輻射的特性，因此在電池領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。

納米二氧化錫(VK-Sn30)是一種全新的離子電池陽(yáng)極材料。它不同于以往的碳陽(yáng)極材料，是一種無(wú)定型的，同時(shí)又有金屬元素存在的無(wú)機(jī)體系，微觀結(jié)構(gòu)是納米級(jí)的無(wú)定型二氧化錫顆粒組成。納米二氧化錫具有其*特的嵌特性,它的嵌機(jī)理與碳材料有著很大的差別。

對(duì)二氧化錫的嵌機(jī)理現(xiàn)在有兩種解釋:**種機(jī)理: 離子嵌入二氧化錫中發(fā)生還原反應(yīng)，將四價(jià)錫還原成二價(jià)錫，然后離子繼續(xù)嵌入生成亞錫酸。即:xLi+ +Sn02+xe- *LixSn02。*二種機(jī)理:在納米二氧化錫嵌過(guò)程中，首先是離子嵌入二氧化錫材料中，發(fā)生還原反應(yīng)，使這些無(wú)定型的納米二氧化錫顆粒還原為納米金屬錫顆粒，然后子繼續(xù)嵌入與金屬錫形成合金。反應(yīng)如下:4Li+Sn02+4e-→Sn+2Li20  YLi++Sn+ye-→LiySn

就目前的研究來(lái)看，*二種機(jī)理的解釋似乎較符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
納米二氧化錫(VK-Sn30)的充放電表明, **周的循環(huán)中在0.7V產(chǎn)生一個(gè)大的不可逆平臺(tái)，大約有700mAh. g-1的不可逆容量。這是由于離子嵌入納米二氧化錫材料中發(fā)生了不可逆的還原反應(yīng)。在以后的循環(huán)中，充放電循環(huán)呈良好的可逆過(guò)程，不同制備方法生成的納米二氧化錫材料具有不同的可逆容量，大約在500800mAh.g-1。在不同電流密度下測(cè)試納米二氧化錫的嵌可逆容量，發(fā)現(xiàn)即使在大電流1 mAh.g-1 的充放電下，納米二氧化錫仍具有約200 300mAh. g-1的可逆容量。

對(duì)納米二氧化錫的嵌過(guò)程的研究表明，由于納米二氧化錫(VK-Sn30)的顆粒為納米級(jí)，并且其顆粒空隙間也為納米尺寸,為離子的嵌入提供了很好的納米嵌通道和嵌位置，因此納米二氧化錫(VK-Sn30)具有大的嵌容量和良好的嵌性能，尤其是在大電流的充放情況下，仍具有較大的可逆容量。納米二氧化錫材料為離子陽(yáng)極材料提出了一個(gè)全新的體系，它擺脫了以往停留于碳材料的體系，己引起了越來(lái)越多的注意和研究。

此外，納米二氧化錫(VK-Sn30)復(fù)合材料也是目前開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，在制備SnO2材料的過(guò)程中，通過(guò)添加少量的摻雜劑，來(lái)改善其選擇性和降低電阻率，或者SnO2作為摻雜材料。

錫基材料是一種理想的離子電池負(fù)極材料，具有較高的理論比容量，但由于其在充放電過(guò)程中巨大的體積變化導(dǎo)致錫基材料的循環(huán)穩(wěn)定性很差。如何設(shè)計(jì)并制備出一種新穎的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料，使其既能夠展現(xiàn)出優(yōu)異的離子存儲(chǔ)能力，有能夠在充放電循環(huán)過(guò)程中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是當(dāng)前錫基/離子電池研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

                                                      
較近，華盛頓州立大學(xué)的研究人員利用石墨烯結(jié)構(gòu)支撐的氧化錫納米晶體，大大提高了電池性能。研究小組解釋說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)也可用于離子電池，使其較具吸引力。
   在他們的研究中，研究人員通過(guò)將致密的納米二氧化錫(VK-Sn30)與三維石墨烯結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，解決了衰減問(wèn)題。據(jù)報(bào)道，他們的混合結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，連接良好，多孔，允許較好地傳輸電子和離子。他們的研究表明，這種材料很大地提高了兩種電池的充電容量和速率，混合材料“表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能”。研究人員還測(cè)試了電池的材料。
  無(wú)*有偶，去年7月華中科技大學(xué)光電學(xué)院碩士生敖翔在導(dǎo)師王春棟副教授的指導(dǎo)下采用了一種合理設(shè)計(jì)的雙模板方法制備出了具有新穎結(jié)構(gòu)的蜂窩狀二氧化錫/碳復(fù)合電極材料。




(a)蜂窩狀二氧化錫/碳復(fù)合材料的掃描電鏡圖；
(b)蜂窩狀二氧化錫/碳復(fù)合材料的透射電鏡圖；
(c)蜂窩狀二氧化錫/碳復(fù)合材料在離子電池中的循環(huán)性能；
(d)蜂窩狀二氧化錫/碳復(fù)合材料在離子電池中的循環(huán)性能

此方法采用了納米二氧化硅小球作為模板，制備空心二氧化錫小球結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用立方形氯化模板得到片狀碳結(jié)構(gòu)，較終得到空心二氧化錫納米小球鑲嵌在層狀碳薄膜當(dāng)中的納米結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中二氧化錫(VK-Sn30)具有較高的理論比容量且所設(shè)計(jì)的碳片能夠有效地將二氧化錫小球連接在一起不僅有利于增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性，促進(jìn)電子或離子的傳輸，同時(shí)二氧化錫小球包覆在碳膜當(dāng)中可對(duì)其體積膨脹起到一定的限制作用，二氧化錫小球中的空腔結(jié)構(gòu)也會(huì)為它的體積膨脹提供一定的緩沖空間，這種合理的設(shè)計(jì)使得此電極材料表現(xiàn)出了非常優(yōu)異的電化學(xué)性能在離子電池中。該材料在100 mA g-1的電流密度下循環(huán)100次后儲(chǔ)容量和儲(chǔ)容量分別達(dá)到928.9和251.5 mAh g-1，可見(jiàn)該材料具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，及較高的儲(chǔ)容量和儲(chǔ)容量，具有一定的商業(yè)化潛力。


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