基本信息
- 项目名称：
- 多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的电沉积制备技术
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 锡和锡合金因具有高的质量比容量和体积比容量，成为新一代锂离子电池负极材料的研究热点之一。但其在充放电过程中体积膨胀导致活性材料粉化脱落，容量迅速衰减的缺点限制了它的发展。为此，我们提出“多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极”的复合电沉积制备技术，在一定程度上改善了锡及其合金的电化学性能，为其作为锂离子电池负极材料的应用发展提供了一条新的思路。
- 详细介绍：
- 无
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和思路： 近年来，大量研究表明锡基合金适合作为高容量锂离子电池负极材料，但充放电过程中体积膨胀，活性材料易团聚、粉化、脱落等缺点一直制约该材料的发展。为此我们结合现有研究结果和前人的研究经验，针对锡及其合金充放电循环性能差等缺点，提出“多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的电沉积制备技术”。 创新点： 1.采用氢气泡模板法成功制备了三维多孔电极； 2.以上述多孔电极为集流体，采用复合电沉积制备技术成功制备多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极。 首先采用氢气泡模板法制备出多孔集流体，然后在惰性气体下高温预处理，再采用复合电沉积技术将碳纳米管与锡及其它金属离子共沉积到多孔集流体上制备出一体化合金电极，以改善合金材料的电化学性能。该电极的多孔结构不仅可容纳锡基合金嵌/脱锂过程中的体积变化、增强集流体与活性材料间的结合力，还可增大活性材料与集流体间的接触面积，达到改善锡基合金循环性能和高倍率性能的目的。碳纳米管的存在使得锡基合金纳米粒子均匀分散于碳纳米管导电网络中，可有效提高活性材料的导电性和防止锡团聚，改善电极电化学性能。 技术关键和技术指标： 本作品的关键在于多孔集流体的制备及锡基合金与碳纳米管复合电沉积的控制。多孔集流体的制备主要受添加剂A（0.1~0.5 mmol/L）、添加剂B（~20 mg/L）、电流密度（~1 A/cm2）和电镀时间（~10 min）的影响；碳纳米管沉积的关键在于纳米管在镀液中的分散性。
科学性、先进性
- 本作品采用了氢气泡模板法制备出结构稳定的三维多孔集流体，以其为基底电镀锡基合金，制备了多孔集流体/锡基合金，大大提高材料和电解液的接触面积，减少极化，达到提高锂电池合金材料电化学性能的目的；此外，采用复合电沉积制备技术制备出多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极，不仅解决了碳纳米管与锡基合金的均匀复合问题，简化了合成工艺，而且该复合电极具有优异的电化学循环稳定性和高倍率充放电性能。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年4月获长安大学第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 不转让
作品可展示的形式
- 图片和样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 电沉积制备技术具有工艺简单、可控性好、成本较低、易规模化等优点，是制备金属及合金的有效方法。该工艺制备电极材料具有如下优点： 1.无需涂浆工艺，简化了电池负极材料的生产工艺； 2.不需要粘结剂和导电剂，降低电池成本，还可提高比容量； 3.活性材料与集流体的结合力明显强于涂浆制品的结合力。 该作品中制备的多孔集流体不仅可应用于锂离子电池，还可应用于燃料电池、超级电容器等，具有广泛的应用前景。 本作品中制得的多孔集流体/锡基合金/碳纳米管电极具有高容量、良好稳定性和高安全性，有望在动力电池，如电动车电池内实用，具有巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前，文献报道的锡基合金负极材料制备工艺多种多样，但绝大部分合金负极材料都存在着两个主要的问题：一是首次不可逆容量大，即首次充放电效率低；二是循环性能不理想。这也是衡量电极材料的两个重要指标。而解决的方法主要有：（1）减小活性材料的粒径，即制备纳米材料，但纳米材料在循环过程中的剧烈团聚限制了其循环性能的进一步提高。（2）与其他元素合金化；（3）与一些活性或非活性的材料形成复合物；（4）采用多孔金属作为集流体可以缓解体积膨胀，且减小极化，能提高循环性能。 电沉积制备技术具有工艺简单、可控性好、成本较低、易规模化等优点，是制备金属及合金的有效方法。J.O. Besenhard等采用电化学沉积法制备了不同粒径的Sn-SnSb合金材料，200次循环后仍可达360 mAh/g；Chen等在SnCl2，SbCl3溶液中以 KBH4为还原剂，在碳纳米管上沉积得到Sn2Sb-CNTs纳米复合物。以此复合物为负极材料具有高的质量比容量 (580 mAh/g)和比纯碳纳米管和Sn-Sb合金更好的循环性能(80周循环后保持 372 mAh/g)，其改善循环性能的主要原因是Sn-Sb合金在碳纳米管上具有很好的分散性，可以缓解体积膨胀。Mukaibo等用电沉积法制备了不同原子比的Sn-Ni合金，70次循环的可逆容量650 mAh/g，XRD显示主要以Ni3Sn4相存在。Tamura等采用电沉积的方法，首先在铜基底上电沉积一层锡，然后热处理得到Sn、Cu6Sn5和Cu3Sn的复合电极。此复合电极由于与基底结合力很好，所以容量和循环性能均能得到提高。初始容量 900 mAh/g左右，经过10周循环容量保持90%。Fujitani等首次采用电沉积的方法在粗糙铜箔基底上沉积得到非晶态79.8Sn-20.2Co（质量比）合金。非晶态的锂活化相能够与锂稳定反应，提供持续的容量。形貌和相结构的改变不仅提高了锂离子在电极与电解质界面的扩散速率，而且还提高了电极内部锂离子的扩散速率，从而提高了比容量。 综上所述，电化学沉积法是制备合金材料的常用方法，但单一的沉积法制备的材料存在多种缺点，因此我们提出“多孔集流体/锡基合金/碳纳米管一体化电极的电沉积制备技术”，在解决电极材料首次充放电效率低、循环性能差等缺点的基础上，制备出多种锡基合金负极材料。
