电沉积法制备锂电池锡负极材料
电沉积法制备锂电池锡负极材料[20200411171612]
摘要
在石墨纸上电沉积锡纳米颗粒作为负极薄膜材料。以石墨纸作为基底的材料上进行电沉积来制备均匀的锡颗粒，而且锡颗粒与颗粒间有着充足的空间来容纳其在充放电过程中伴随的积膨胀效应。通过改变电沉积的电流和时间，在石墨纸上沉积的锡颗粒的形态和间隔大小发生了变化。当固定沉积电流时，延长沉积时间可增加锡颗粒的尺寸而这也导致颗粒与颗粒间的间隔逐渐消失。但是增加电沉积的电流则会增加在石墨纸上锡颗粒沉积的层数，而颗粒与颗粒间的间隔则基本保持不变。当用最优的沉积时间2 min来制备锡薄膜时，样品表现出最佳的电化学性能，因为锡颗粒在石墨纸上均匀分布，当然这也包括颗粒与颗粒间的间隔。经过50圈的充放电循环后，沉积时间为2 min沉积电流为0.2 A的样品表现出来850 mAh·g-1的最高容量。颗粒的间隔对样品的容量和循环性能有着很大的影响。50圈后，沉积时间为3 min沉积电流为0.4 A的样品表现出统一的多孔性结构。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电沉积锂离子电池锡循环性能
目录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1锂离子电池工作原理 2
1.1.2 锂离子电池的组成 2
1.2锂离子电池负极材料 2
1.3 金属负极材料研究背景 3
1.3.1金属负极材料的特点 3
1.3.2 提升金属负极材料性能的方法 4
1.4电沉积方法制备负极材料Sn 4
1.5 本文研究内容与意义 4
2. 实验部分 6
2.1 实验药品 6
2.2 主要实验仪器 6
2.3负极材料金属Sn样品的制备 6
2.4 材料的表征 7
2.5 电化学性能测试 7
2.5.1 负极片的制备和电池的组装 7
2.5.2 充放电容量和循环性能测试 7
3. 结果与讨论 8
3.1 恒沉积电流0.2A改变沉积时间 8
3.1.1晶型结构分析 8
3.1.2金属锡表面形态分析 9
3.1.3电化学性能分析 10
3.2 恒沉积时间3 min改变沉积电流 11
3.2.1晶型结构分析 12
3.2.2金属锡表面形态分析 13
3.2.3电化学性能分析 14
4. 结论 17
参考文献 18
致谢 19
1.前言
从第一次工业革命开始，人类的生活水平就有了极大的提高，与此同时，人类对能源的需求也越来越大。石油，作为一种能源物质目前已经深入到生产生活的方方面面。但是石油的广泛使用导致了一系列严重的问题，包括水污染、大气污染等，无限制的开采也破坏了当地的生态环境，而更为棘手的问题是，石油是一种不可再生资源。当然除了石油以外，天然气、煤炭、可燃冰等均是可供人类使用的能源，但是它们都有一个共同的特点就是不可再生。与此同时，在使用这些能源的同时，不可避免地会产生一些污染物，而这些污染物或多或少会影响我们目前赖以生存的环境。
由此，人们急需寻找一种高能量、环境友好型能量存储装置，而传统电池因为其内部有大量如镍、铜、铬等重金属的存在，会极大地污染环境，由此电池和超级电容器应运而生。两种设备均可以有效地存储和释放能量，并且具有低污染、高安全和稳定性强的特点，逐步在各个领域有相应的应用，如：手机、笔记本电脑、数码相机、闪光灯等。而随着科学技术的发展，电池和超级电容器存储和释放能量的能力也在不断提升，人们已经不仅仅满足于对小型移动设备的供能，开始着手研究对大型移动设备的供能供电，如电动自行车、电动汽车等。
对于风力发电、太阳能发电等技术，目前需要解决的问题就是能量的存储和释放问题，而电池和超级电容器很好地解决了这个问题。因此风力发电和太阳能发电技术的发展离不开电池和超级电容器的发展。由以上陈述我们可以知道，锂电池和超级电容器有着广阔的发展空间和发展前景。
1.1 锂离子电池简介
锂电池（LIBs），作为一种能源存储装置，在商业领域、传动传输领域、可循环能源领域有着广泛的应用[1] [2]，而它拥有高能量密度，高电压和长寿命的特点。为了提升现如今使用的锂电池的电化学性能，使用高容量的正负极材料是十分有必要的。目前，小型化和高倍率是对锂电池起指导作用的两个方向。
对于一个电池而言，基本上都由五个部分组成：正极、负极、电解质、隔膜和外壳，其中正极和负极材料基本上对这个电池的性能起了决定作用，正极材料在锂电池中起到提供锂离子的功能，而负极材料则是起到存储锂的功能。
对锂电池的正极材料，有磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸钒锂等，而钴酸锂已经商业化。目前，对于锂电池的正极材料，研究热点集中于氧化镍锂、氧化钴锂、氧化锰锂和其它多阴离子正极材料。正极材料的制备方法有：溶胶凝胶法[3]、微波合成法[4]、水热合成法[5]、高温固相法[6]和共沉淀法[7]等。
因为锂电池负极材料的功能是能够容纳锂离子，因此材料的结构对该材料的容量有着相当大的影响。锂电池负极材料的选择多为石墨，因为石墨的层状结构可以很好地嵌入锂离子，因此石墨具有较好的循环性能，较低的自放电，当然它的价格也相对低廉。但是，石墨作为一种负极材料的缺点就是它的能量密度很低（375 mAh·g-1）且不够安全（石墨易燃）[8] [9]。因此，目前来说，当务之急就是找到一种自放电较低、安全性能高、有较高能量密度和较好循环性能的材料来充当锂电池的负极材料。
1.1.1 锂离子电池的工作原理
锂离子电池的工作原理就是指它的充放电原理。电池充电时，加在两极的电势迫使正极化合物释放出Li+，脱出的Li+通过电解液和隔膜嵌入片层结构的负极碳中，同时外电路的补偿电荷由金属导线供给碳负极，保持电荷平衡。放电时，在高自由能的驱动下Li+从片层结构的碳中脱出，通过电解液和隔膜再重新嵌入到正极化合物晶格，使正极处于富锂态，同时负极释放电子到外电路，产生电流，向外电路供电。在整个充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出，被形象称为“摇椅电池”（Rocking Chair Batteries，缩写为RCB）。1.1.2锂离子电池的组成
(1)正极：目前正极材料有磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸钒锂等，而钴酸锂已经商业化，导电集流体为电解铝箔。
(2)负极：目前负极材料大多为石墨材料，导电集流体为电解铜箔。
(3)隔膜：为高分子材料聚乙烯，通过机械拉伸延展得到，材料中有细微小孔供锂离子通过，但却是电子的绝缘体。
(4)有机电解液：将六氟磷酸锂溶解于碳酸酯类溶剂得到，而聚合物锂离子电池则使用凝胶状电解液。
1.2锂离子电池负极材料
锂离子负极材料由负极活性物质（如：碳材料或非碳材料）、粘合剂、添加剂均匀混合后涂于铜箔表面，之后经干燥滚压而成。锂电池性能的好坏关键在于能否成功地嵌锂和脱锂，而一种好的负极材料应该满足如下几个特点：（1）充放电可逆性能好，（2）相对于锂电极电极电位低，（3）在充放电过程中机械稳定性好容胀效应不明显，（4）价格低廉且在空气中可以稳定存在无毒副作用。
目前而言，碳材料作为负极材料被广泛应用，而研究热点是锡基材料、纳米负极材料、金属合金类材料等。
（1）碳负极材料
作为一种已经商业化的材料，石墨已经有了很广泛的应用，其优点为造价低廉，原料分布广泛且制备简单。但作为一种负极材料，其致命的缺点是容量低，仅为372 mAh·g-1。 与此同时，因为石墨易燃的特性，将其作为负极材料存在着一定的安全隐患。
（2）锡基材料
将金属锡作为基底进行处理，改善锡在充放电过程中由于锂的嵌入和脱嵌导致的膨胀效应。而锡则有994 mAh·g-1的理论容量，是石墨材料理论容量的三倍，因此锡基材料是目前研究的热点之一。然而，因为锡在电池充放电过程中伴随有膨胀效应，因此，这也是制约着锡作为锂电池负极材料发展的原因。
（3）金属合金类材料
金属合金材料有很高的容量和很好的安全性，以现有研究来看，合金材料的理论容量是石墨材料的2-10倍。现如今，很多金属已经应用与锂电池的研究，如：Si, Sn, Sb, Al, Mg, Bi, In, Zn, Pb, Ag, Pt, Au, Cd, As, Ga 和 Ge[10]。但只有前五中物质为研究重点，因为它们是廉价、易得、环境友好型材料。与锡一样，硅在电池充放电过程中也伴随有膨胀效应，而其他金属则会存在锂合金化反应，这都制约至这些材料的发展。
摘要
在石墨纸上电沉积锡纳米颗粒作为负极薄膜材料。以石墨纸作为基底的材料上进行电沉积来制备均匀的锡颗粒，而且锡颗粒与颗粒间有着充足的空间来容纳其在充放电过程中伴随的积膨胀效应。通过改变电沉积的电流和时间，在石墨纸上沉积的锡颗粒的形态和间隔大小发生了变化。当固定沉积电流时，延长沉积时间可增加锡颗粒的尺寸而这也导致颗粒与颗粒间的间隔逐渐消失。但是增加电沉积的电流则会增加在石墨纸上锡颗粒沉积的层数，而颗粒与颗粒间的间隔则基本保持不变。当用最优的沉积时间2 min来制备锡薄膜时，样品表现出最佳的电化学性能，因为锡颗粒在石墨纸上均匀分布，当然这也包括颗粒与颗粒间的间隔。经过50圈的充放电循环后，沉积时间为2 min沉积电流为0.2 A的样品表现出来850 mAh·g-1的最高容量。颗粒的间隔对样品的容量和循环性能有着很大的影响。50圈后，沉积时间为3 min沉积电流为0.4 A的样品表现出统一的多孔性结构。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:电沉积锂离子电池锡循环性能
目录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1锂离子电池工作原理 2
1.1.2 锂离子电池的组成 2
1.2锂离子电池负极材料 2
1.3 金属负极材料研究背景 3
1.3.1金属负极材料的特点 3
1.3.2 提升金属负极材料性能的方法 4
1.4电沉积方法制备负极材料Sn 4
1.5 本文研究内容与意义 4
2. 实验部分 6
2.1 实验药品 6
2.2 主要实验仪器 6
2.3负极材料金属Sn样品的制备 6
2.4 材料的表征 7
2.5 电化学性能测试 7
2.5.1 负极片的制备和电池的组装 7
2.5.2 充放电容量和循环性能测试 7
3. 结果与讨论 8
3.1 恒沉积电流0.2A改变沉积时间 8
3.1.1晶型结构分析 8
3.1.2金属锡表面形态分析 9
3.1.3电化学性能分析 10
3.2 恒沉积时间3 min改变沉积电流 11
3.2.1晶型结构分析 12
3.2.2金属锡表面形态分析 13
3.2.3电化学性能分析 14
4. 结论 17
参考文献 18
致谢 19
1.前言
从第一次工业革命开始，人类的生活水平就有了极大的提高，与此同时，人类对能源的需求也越来越大。石油，作为一种能源物质目前已经深入到生产生活的方方面面。但是石油的广泛使用导致了一系列严重的问题，包括水污染、大气污染等，无限制的开采也破坏了当地的生态环境，而更为棘手的问题是，石油是一种不可再生资源。当然除了石油以外，天然气、煤炭、可燃冰等均是可供人类使用的能源，但是它们都有一个共同的特点就是不可再生。与此同时，在使用这些能源的同时，不可避免地会产生一些污染物，而这些污染物或多或少会影响我们目前赖以生存的环境。
由此，人们急需寻找一种高能量、环境友好型能量存储装置，而传统电池因为其内部有大量如镍、铜、铬等重金属的存在，会极大地污染环境，由此电池和超级电容器应运而生。两种设备均可以有效地存储和释放能量，并且具有低污染、高安全和稳定性强的特点，逐步在各个领域有相应的应用，如：手机、笔记本电脑、数码相机、闪光灯等。而随着科学技术的发展，电池和超级电容器存储和释放能量的能力也在不断提升，人们已经不仅仅满足于对小型移动设备的供能，开始着手研究对大型移动设备的供能供电，如电动自行车、电动汽车等。
对于风力发电、太阳能发电等技术，目前需要解决的问题就是能量的存储和释放问题，而电池和超级电容器很好地解决了这个问题。因此风力发电和太阳能发电技术的发展离不开电池和超级电容器的发展。由以上陈述我们可以知道，锂电池和超级电容器有着广阔的发展空间和发展前景。
1.1 锂离子电池简介
锂电池（LIBs），作为一种能源存储装置，在商业领域、传动传输领域、可循环能源领域有着广泛的应用[1] [2]，而它拥有高能量密度，高电压和长寿命的特点。为了提升现如今使用的锂电池的电化学性能，使用高容量的正负极材料是十分有必要的。目前，小型化和高倍率是对锂电池起指导作用的两个方向。
对于一个电池而言，基本上都由五个部分组成：正极、负极、电解质、隔膜和外壳，其中正极和负极材料基本上对这个电池的性能起了决定作用，正极材料在锂电池中起到提供锂离子的功能，而负极材料则是起到存储锂的功能。
对锂电池的正极材料，有磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸钒锂等，而钴酸锂已经商业化。目前，对于锂电池的正极材料，研究热点集中于氧化镍锂、氧化钴锂、氧化锰锂和其它多阴离子正极材料。正极材料的制备方法有：溶胶凝胶法[3]、微波合成法[4]、水热合成法[5]、高温固相法[6]和共沉淀法[7]等。
因为锂电池负极材料的功能是能够容纳锂离子，因此材料的结构对该材料的容量有着相当大的影响。锂电池负极材料的选择多为石墨，因为石墨的层状结构可以很好地嵌入锂离子，因此石墨具有较好的循环性能，较低的自放电，当然它的价格也相对低廉。但是，石墨作为一种负极材料的缺点就是它的能量密度很低（375 mAh·g-1）且不够安全（石墨易燃）[8] [9]。因此，目前来说，当务之急就是找到一种自放电较低、安全性能高、有较高能量密度和较好循环性能的材料来充当锂电池的负极材料。
1.1.1 锂离子电池的工作原理
锂离子电池的工作原理就是指它的充放电原理。电池充电时，加在两极的电势迫使正极化合物释放出Li+，脱出的Li+通过电解液和隔膜嵌入片层结构的负极碳中，同时外电路的补偿电荷由金属导线供给碳负极，保持电荷平衡。放电时，在高自由能的驱动下Li+从片层结构的碳中脱出，通过电解液和隔膜再重新嵌入到正极化合物晶格，使正极处于富锂态，同时负极释放电子到外电路，产生电流，向外电路供电。在整个充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱出，被形象称为“摇椅电池”（Rocking Chair Batteries，缩写为RCB）。1.1.2锂离子电池的组成
(1)正极：目前正极材料有磷酸铁锂、磷酸锰锂和磷酸钒锂等，而钴酸锂已经商业化，导电集流体为电解铝箔。
(2)负极：目前负极材料大多为石墨材料，导电集流体为电解铜箔。
(3)隔膜：为高分子材料聚乙烯，通过机械拉伸延展得到，材料中有细微小孔供锂离子通过，但却是电子的绝缘体。
(4)有机电解液：将六氟磷酸锂溶解于碳酸酯类溶剂得到，而聚合物锂离子电池则使用凝胶状电解液。
1.2锂离子电池负极材料
锂离子负极材料由负极活性物质（如：碳材料或非碳材料）、粘合剂、添加剂均匀混合后涂于铜箔表面，之后经干燥滚压而成。锂电池性能的好坏关键在于能否成功地嵌锂和脱锂，而一种好的负极材料应该满足如下几个特点：（1）充放电可逆性能好，（2）相对于锂电极电极电位低，（3）在充放电过程中机械稳定性好容胀效应不明显，（4）价格低廉且在空气中可以稳定存在无毒副作用。
目前而言，碳材料作为负极材料被广泛应用，而研究热点是锡基材料、纳米负极材料、金属合金类材料等。
（1）碳负极材料
作为一种已经商业化的材料，石墨已经有了很广泛的应用，其优点为造价低廉，原料分布广泛且制备简单。但作为一种负极材料，其致命的缺点是容量低，仅为372 mAh·g-1。 与此同时，因为石墨易燃的特性，将其作为负极材料存在着一定的安全隐患。
（2）锡基材料
将金属锡作为基底进行处理，改善锡在充放电过程中由于锂的嵌入和脱嵌导致的膨胀效应。而锡则有994 mAh·g-1的理论容量，是石墨材料理论容量的三倍，因此锡基材料是目前研究的热点之一。然而，因为锡在电池充放电过程中伴随有膨胀效应，因此，这也是制约着锡作为锂电池负极材料发展的原因。
（3）金属合金类材料
金属合金材料有很高的容量和很好的安全性，以现有研究来看，合金材料的理论容量是石墨材料的2-10倍。现如今，很多金属已经应用与锂电池的研究，如：Si, Sn, Sb, Al, Mg, Bi, In, Zn, Pb, Ag, Pt, Au, Cd, As, Ga 和 Ge[10]。但只有前五中物质为研究重点，因为它们是廉价、易得、环境友好型材料。与锡一样，硅在电池充放电过程中也伴随有膨胀效应，而其他金属则会存在锂合金化反应，这都制约至这些材料的发展。
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