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基本信息

項目名稱：
動力鋰離子電池SnSbNi合金負(fù)極材料的研究
小類：
能源化工
簡介：
本研究根據(jù)“Buffer Matrix”的概念，采用液相化學(xué)還原的方法，在不同的pH值，不同的溫度和不同的濃度下，將活性相SnSb植入到非活性相Ni載體中以緩沖體積的膨脹，制備出錫基復(fù)合物SnSbNi合金粉體。將合成的合金材料制備成電極進(jìn)行電化學(xué)循環(huán)性能測試。Sn2SbNi合金負(fù)極首次放電容量達(dá)900 mAh/g，雖然首次不可逆容量損失大，但循環(huán)性能較好，20次循環(huán)以后，放電容量仍保持在780 mA?h/g。它的嵌脫鋰平臺比碳材料高，在0.01-1.5V左右，這對改善鋰離子電池安全性能有益。這種通過將兩種活性金屬分散在一種結(jié)構(gòu)合理、兼容性好的非活性金屬的骨架中形成的穩(wěn)定合金體系，是具有開發(fā)潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。
詳細(xì)介紹：
國內(nèi)外眾多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究者都在研究和開發(fā)鋰離子電池先進(jìn)材料。在大量的備選負(fù)極材料中，Sn基材料由于具有較高的理論比容量、較大的壓實密度和較安全的電壓而成為研究的熱點之一。然而，合金負(fù)極最大的問題在于充放電過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重體積膨脹效應(yīng)，該效應(yīng)能導(dǎo)致電極材料粉化，降低循環(huán)壽命。本研究根據(jù)“Buffer Matrix”的概念，采用液相化學(xué)還原的方法，在pH為1，溫度為0℃，氯化物的濃度為0.04mol/L條件下將活性相SnSb植入到非活性相Ni載體中以緩沖體積的膨脹，制備出錫基復(fù)合物SnSbNi合金粉體。采用這種方法制備具有成本低、制備工藝過程簡單，而且合成的SnSb/Ni合金復(fù)合物粉末的顆粒均勻細(xì)小，結(jié)晶度良好等優(yōu)點。采用XRD、TEM、EDS、SAED研究了合成產(chǎn)物的組成、結(jié)構(gòu)及形貌特征；將合成的Sn基粉體用作鋰離子電池負(fù)極材料，組裝模擬電池進(jìn)行電化學(xué)測試。研究發(fā)現(xiàn)，通過SEM對其進(jìn)行形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其顆粒的粒徑約為10nm。通過TEM觀察，雖出現(xiàn)團(tuán)聚，但其顆粒比較均勻。將SnxSbNi其裝配到電池中，利用恒電流電池測試儀測試其電化學(xué)性能。其中Sn2SbNi合金負(fù)極材料首次放電容量達(dá)900mAh/g，雖然首次不可逆容量損失大，但循環(huán)性能較好，20次循環(huán)以后，放電容量仍保持在780 mA?h/g。它的嵌脫鋰平臺比碳材料高，在0.01-1.5V左右，這對改善鋰離子電池安全性能有益。這種通過將兩種活性金屬分散在一種結(jié)構(gòu)合理、兼容性好的非活性金屬的骨架中形成的穩(wěn)定合金體系，是具有開發(fā)潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。

作品圖片

  • 動力鋰離子電池SnSbNi合金負(fù)極材料的研究

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：解決合金做電池負(fù)極時，在充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)引起的電極材料粉化及循環(huán)性能降低等問題。力圖設(shè)計出一種高功率密度，高安全性，快速充放電，長壽命較理想的鋰離子電池負(fù)極材料。 思路：研究背景 - 研究現(xiàn)狀 - 研究方法及意義 - 創(chuàng)新點 - 結(jié)論。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

科學(xué)性：實驗合成的產(chǎn)物經(jīng)過各種手段（XRD,TEM,SEM等）的分析，確認(rèn)我們合成的產(chǎn)物是SnSb/Ni合金復(fù)合物。經(jīng)恒電流充放電儀測試，初始容量較高，循環(huán)穩(wěn)定性較好。 先進(jìn)性及獨特之處：利用液相化學(xué)還原的方法合成了納米Sn-Sb-Ni三元合金粉末，用于鋰離子電池負(fù)極材料。除首次外，合成的Sn2SbNi材料既保持較高的容量（780mAh/g），又具有較穩(wěn)定的循環(huán)性能。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

鋰離子電池作為現(xiàn)在理想的動力電池被廣泛應(yīng)用于電子通信、軍事、醫(yī)療等行業(yè)。目前廣泛應(yīng)用的碳負(fù)極材料已經(jīng)出現(xiàn)諸多弊端，正在成熟的二元錫基材料雖理論容量高，但在充放電過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重體積膨脹效應(yīng)( 高達(dá) 300%)能引起電極材料粉化，降低循環(huán)壽命。三元錫基材料的研制和發(fā)展將使上述材料的諸多問題得到解決并保持高容量，將使鋰離子電池的使用更廣泛，更經(jīng)濟，在工業(yè)、國防、教育、醫(yī)療等方面產(chǎn)生巨大效應(yīng)。

學(xué)術(shù)論文摘要

開發(fā)高容量、高循環(huán)穩(wěn)定性的負(fù)極材料以取代傳統(tǒng)的碳材料成為近年來鋰離子電池研究的熱點之一，而高比容合金負(fù)極材料又是鋰離子電池研究的重點和難點。然而，合金負(fù)極最大的問題在于充放電過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重體積膨脹效應(yīng)，該效應(yīng)能導(dǎo)致電極材料粉化，降低循環(huán)壽命。從抑制體積膨脹的角度出發(fā),根據(jù)“Buffer Matrix”的概念,將活性相植入到非活性相載體中可以抑制體積的膨脹。此次研究就是把活性的錫銻植入到非活性的鎳上。實驗采用液相還原的方法，在不同的pH值、溫度、濃度下制備了錫基復(fù)合物SnSbNi合金粉體，通過XRD，SEM，和恒電流電池測試儀測試其電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)，在0℃，PH為1，氯化物和還原劑濃度分別為0.04mol/L 和0.1 mol/L時合成的SnSbNi產(chǎn)率較高，循環(huán)性能較好。通過SEM對其進(jìn)行形貌觀察，發(fā)現(xiàn)其顆粒的粒徑約為10nm左右，雖出現(xiàn)團(tuán)聚，但其顆粒比較均勻。將其裝配到電池中，利用恒電流電池測試儀測試其電化學(xué)性能，除首次嵌鋰容量外，20次循環(huán)后，放電比容量仍穩(wěn)定地保持在700 mA?h/g以上。該種材料與其他二元錫基材料相比理論初始容量更高，首次不可逆容量更低，循環(huán)性能更穩(wěn)定。

獲獎情況

該作品在某高校第五屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲一等獎；在第五屆某省高校青年學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲省級一等獎。

鑒定結(jié)果

作品為申請人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨立完成，論文中的實驗測試方法，研究結(jié)果都經(jīng)過鑒定，真實可信。

參考文獻(xiàn)

現(xiàn)有技術(shù)：X射線衍射儀，掃描電鏡，循環(huán)伏安測試儀等。 技術(shù)文獻(xiàn)的檢索目錄: [1] 任建國,王科,何向明,姜長印,萬春榮. 鋰離子合金負(fù)極材料的研究進(jìn)展. 化學(xué)進(jìn)展,2005 (04): 27-33. [2] 董全峰, 詹亞丁, 金明鋼, 錫鎳合金的制備及電化學(xué)性能[J]?電池, 2005, 35(1): 3-5. [3] Yin J, Wada M, Yoshida S, etal. New Ag-Sn alloys anode Materials for lithium-ion batteries [J].J Electochem Soc, 2003, 150(8): A1 129—135.

同類課題研究水平概述

1997年日本富士公司的研究小組提出用錫氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料能獲得高達(dá)600 mA?h/g的容量后，錫基材料才成了當(dāng)前鋰離子電極負(fù)極材料的研究熱點之一。 在負(fù)極材料方面，由于碳類負(fù)極材料的理論嵌鋰容量上限僅為 372 mA?h/g，已經(jīng)成為發(fā)展兼?zhèn)涓吣芰棵芏?、高功率密度、長壽命鋰離子電池的瓶頸。因此，近年來高比容合金負(fù)極材料成為鋰離子電池研究的重點和熱點。然而作為負(fù)極材料，合金最大的問題在于充放電過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng)( 高達(dá) 300%)，該效應(yīng)能夠引起電極材料粉化，降低循環(huán)壽命。近年來，納米技術(shù)的快速發(fā)展和非晶技術(shù)的成熟，為研究解決合金負(fù)極材料的體積膨脹問題帶來機遇，使合金負(fù)極材料展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。 我國合金負(fù)極材料的研究大多集中在如何減少材料的不可逆容量或怎樣提高循環(huán)性能方面。目前廣泛采用“A-M”式金屬間化合物的形式來緩沖合金負(fù)極材料的體積變化,其中A是Al、Sn、Si和Sb等活性貯鋰元素，M是不能與鋰形成合金的元素。該體系的顯著特點是活性粒子均勻分布在惰性基體上，惰性組分可緩沖鋰嵌脫反應(yīng)時引起的體積變形，在一定程度上提高了合金負(fù)極材料的循環(huán)性能。 近期研究較深入的二元合金有Sn-Sb,Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Ni,Sn-Co體系，這些體系的電化學(xué)性能并不是很理想，而三元合金體系研究較少。 錫基合金及其復(fù)合物的制備方法主要有機械合金化法、電沉積法、液相共沉淀法、高能球磨法，除此之外還有：熱熔法、化學(xué)還原法、反膠團(tuán)微乳液法、組合通量磁控濺射法等，其中反膠團(tuán)微乳液法、組合通量磁控濺射法因批次規(guī)模小或成本高，不適宜工業(yè)化生產(chǎn)。 關(guān)于合金負(fù)極的研究還處于初期階段。從報道情況來看，國內(nèi)對于這種新一代合金負(fù)極的研究甚少，國外也是近年來才剛剛開始探索，離商品化還有一段距離。合成納米材料SnSb/Ni有機會取得創(chuàng)新性的成果，將使我國在二次鋰離子電池負(fù)極材料研究領(lǐng)域向前邁步。
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