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原文传递动力电池Sn负极材料的制备及性能研究

论文题名：	动力电池Sn负极材料的制备及性能研究
关键词：	动力电池;负极材料;制备;复合膜电极;射频磁控溅射;薄膜电极;直流磁控溅射;容量保持;电极表面;循环性能;衍射峰;充放电;动力锂离子电池;SnSb合金;嵌锂;比容量;容量损失;溅射薄膜;电感耦合等离子体发射光谱;薄膜表面
摘要：	随着煤炭、石油等主要天然资源的逐渐耗竭，以及来自燃油汽车导致的大气污染日益恶化，电动汽车的使用已经成为解决人类巨大能源危机和环境压力的最有效途径。动力电池是电力驱动及控制系统最关键的组成部分，既是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大差异点。因此，开发高比能量、高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的新型动力锂离子电池显得尤为迫切。负极材料是决定动力锂离子电池性能优劣的关键因素之一。近年来，锡(Sn)负极材料因其高的理论比容量(990mAh/g)而成为目前国际上研究的主流负极材料。本文在综合评述电动车和动力电池特别是其相关负极材料研究进展的基础上，选取锡基负极材料作为研究对象，开展材料制备及其嵌锂性质的研究。论文采用直流/射频磁控溅射技术，使用Sn靶、Ti靶和SnSb合金靶，按照不同实验工艺在10 μm厚铜箔基片上制备了纯Sn和SnMe(Me=Ti、Sb)体系负极材料。采用X—射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP)、X—射线光电子能谱(XPS)、傅立叶转换红外线光谱(FTIR)、循环伏安(CV)、恒电流充放电(GC)等方法，分析了制备方法、实验工艺、掺杂组元、复合方式等对纯Sn、SnMe薄膜的形貌、成份、微结构及电化学行为等的影响，得到的主要结果如下： 1、射频磁控溅射和直流磁控溅射制备的Sn薄膜样品主要物相结构一致，射频磁控溅射样品多出了(112)晶面，XRD衍射峰更尖锐，晶化程度较明显，结晶完整性较好。真空溅射方法对Sn薄膜的表面形貌有较大的影响：直流磁控溅射获得的Sn薄膜由球形颗粒组成，所得薄膜颗粒细小，表面较粗糙；而射频磁控溅射薄膜表面光滑、颗粒较大。 2、充放电测试结果表明，直流溅射样品DC1和射频溅射样品RF2薄膜电极的首次嵌锂比容量分别为：771.3 mAh/g和653.75 mAh/g，首次不可逆比容量分别为278 mAh/g和190 mAh/g，首次库仑效率分别为63.8％和70.8％，电极经30次循环后，两电极放电比容量分别为98.9 mAh/g和515 mAh/g，分别为首次嵌锂比容量的13％和78％。这是因为直流磁控溅射薄膜表面较粗糙，充放电时生成了较多不规整的SEI膜，导致表面电阻增加和锂离子扩散困难，使得深度嵌锂后容量损失严重，表现出较差的循环性能。相对而言，射频磁控溅射薄膜具有更好的容量保持率。30次循环后的表面形貌也证明了这一点，当直流磁控溅射的薄膜电极表面已经破裂并逐渐粉化失效时，射频磁控溅射的薄膜电极表面仅发生了龟裂现象，并没有遭到很严重的破坏。 3、充放电前后FTIR测试表明，Sn电极在充放电过程中，如同碳负极一样，将在电极表面生成一层SEI膜。直流磁控溅射得到的Sn薄膜电极具有较大的比表面积，使得生成SEI膜消耗了更多的锂离子，导致了电极初期容量损失较大。 4、充放电前后Sn电极XPS分析表明，在没有发生嵌锂反应前原始样品表面的Sn有SnO和Sn两种状态；当Sn电极首次电位扫描从开路电位(2.61 V)到1.0 V时，SnO和Sn的峰强明显下降，均向锂锡合金发生转变。 5、通过Ti掺杂改性制备的SnTi复合膜，其表面较致密，颗粒均匀分布，平均直径约为200 nm。XRD表征发现，Sn的衍射峰呈结晶态，并没有出现明显的Ti衍射峰，也没有发现CnSn等合金的衍射峰。 6、SnTi复合膜电极的循环伏安扫描发现，首次嵌脱锂反应基本属于电池活化过程，第6次扫描后，电极的电化学行为趋于稳定；循环性能曲线表明，通过Ti层复合Sn电极，复合膜电极的循环性能大大改善，其首次嵌锂容量为896.1mAh/g，首次容量损失仅为7.58％；对比Sn电极30次循环后的容量，复合膜电极的容量保持率提高了1.3倍；50次循环后，容量保持在777 mAh/g，为初始嵌锂容量的87％，显示出复合电极良好的容量保持率。这是因为Sn表面的Ti薄膜为复合膜电极提供了较好的弹性体功能，缓解了体积变化导致的内应力，为电极提供了电子传输通道，保持了电极良好的电接触，从而达到了稳定电极整体结构的目的。 7、通过Sb掺杂改性制备的SnSb合金膜，结果发现，随着溅射时间的增加，薄膜表面向均匀、平整和致密转变；Cu的衍射峰强度逐渐变弱，SnSb合金的衍射峰峰强增强，结晶逐渐完整，薄膜逐渐向合金化方向转变。 8、通过掺杂金属Sb对纯Sn电极的改性研究发现，SnSb合金薄膜的循环性能改善，主要是归因于合金形式的存在，增加了电极物质间的结合力，维持了较好的电极完整结构。在本实验中溅射时间为30min时，循环稳定性最好。
作者：	赖新方
专业：	车辆工程
导师：	简弃非;吴晓丹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华南理工大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文