基本信息
- 项目名称：
- 动力锂离子电池SnSbNi合金负极材料的研究
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本研究根据“Buffer Matrix”的概念，采用液相化学还原的方法，在不同的pH值，不同的温度和不同的浓度下，将活性相SnSb植入到非活性相Ni载体中以缓冲体积的膨胀，制备出锡基复合物SnSbNi合金粉体。将合成的合金材料制备成电极进行电化学循环性能测试。Sn2SbNi合金负极首次放电容量达900 mAh/g，虽然首次不可逆容量损失大，但循环性能较好，20次循环以后，放电容量仍保持在780 mA•h/g。它的嵌脱锂平台比碳材料高，在0.01-1.5V左右，这对改善锂离子电池安全性能有益。这种通过将两种活性金属分散在一种结构合理、兼容性好的非活性金属的骨架中形成的稳定合金体系，是具有开发潜力的锂离子电池负极材料。
- 详细介绍：
- 国内外众多学术界和工业界的研究者都在研究和开发锂离子电池先进材料。在大量的备选负极材料中，Sn基材料由于具有较高的理论比容量、较大的压实密度和较安全的电压而成为研究的热点之一。然而，合金负极最大的问题在于充放电过程中产生的严重体积膨胀效应，该效应能导致电极材料粉化，降低循环寿命。本研究根据“Buffer Matrix”的概念，采用液相化学还原的方法，在pH为1，温度为0℃，氯化物的浓度为0.04mol/L条件下将活性相SnSb植入到非活性相Ni载体中以缓冲体积的膨胀，制备出锡基复合物SnSbNi合金粉体。采用这种方法制备具有成本低、制备工艺过程简单，而且合成的SnSb/Ni合金复合物粉末的颗粒均匀细小，结晶度良好等优点。采用XRD、TEM、EDS、SAED研究了合成产物的组成、结构及形貌特征；将合成的Sn基粉体用作锂离子电池负极材料，组装模拟电池进行电化学测试。研究发现，通过SEM对其进行形貌观察，发现其颗粒的粒径约为10nm。通过TEM观察，虽出现团聚，但其颗粒比较均匀。将SnxSbNi其装配到电池中，利用恒电流电池测试仪测试其电化学性能。其中Sn2SbNi合金负极材料首次放电容量达900mAh/g，虽然首次不可逆容量损失大，但循环性能较好，20次循环以后，放电容量仍保持在780 mA•h/g。它的嵌脱锂平台比碳材料高，在0.01-1.5V左右，这对改善锂离子电池安全性能有益。这种通过将两种活性金属分散在一种结构合理、兼容性好的非活性金属的骨架中形成的稳定合金体系，是具有开发潜力的锂离子电池负极材料。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：解决合金做电池负极时，在充放电过程中产生的体积膨胀效应引起的电极材料粉化及循环性能降低等问题。力图设计出一种高功率密度，高安全性，快速充放电，长寿命较理想的锂离子电池负极材料。 思路：研究背景 - 研究现状 - 研究方法及意义 - 创新点 - 结论。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：实验合成的产物经过各种手段（XRD,TEM,SEM等）的分析，确认我们合成的产物是SnSb/Ni合金复合物。经恒电流充放电仪测试，初始容量较高，循环稳定性较好。 先进性及独特之处：利用液相化学还原的方法合成了纳米Sn-Sb-Ni三元合金粉末，用于锂离子电池负极材料。除首次外，合成的Sn2SbNi材料既保持较高的容量（780mAh/g），又具有较稳定的循环性能。
应用价值和现实意义
- 锂离子电池作为现在理想的动力电池被广泛应用于电子通信、军事、医疗等行业。目前广泛应用的碳负极材料已经出现诸多弊端，正在成熟的二元锡基材料虽理论容量高，但在充放电过程中产生的严重体积膨胀效应( 高达 300%)能引起电极材料粉化，降低循环寿命。三元锡基材料的研制和发展将使上述材料的诸多问题得到解决并保持高容量，将使锂离子电池的使用更广泛，更经济，在工业、国防、教育、医疗等方面产生巨大效应。
学术论文摘要
- 开发高容量、高循环稳定性的负极材料以取代传统的碳材料成为近年来锂离子电池研究的热点之一，而高比容合金负极材料又是锂离子电池研究的重点和难点。然而，合金负极最大的问题在于充放电过程中产生的严重体积膨胀效应，该效应能导致电极材料粉化，降低循环寿命。从抑制体积膨胀的角度出发,根据“Buffer Matrix”的概念,将活性相植入到非活性相载体中可以抑制体积的膨胀。此次研究就是把活性的锡锑植入到非活性的镍上。实验采用液相还原的方法，在不同的pH值、温度、浓度下制备了锡基复合物SnSbNi合金粉体，通过XRD，SEM，和恒电流电池测试仪测试其电化学性能。发现，在0℃，PH为1，氯化物和还原剂浓度分别为0.04mol/L 和0.1 mol/L时合成的SnSbNi产率较高，循环性能较好。通过SEM对其进行形貌观察，发现其颗粒的粒径约为10nm左右，虽出现团聚，但其颗粒比较均匀。将其装配到电池中，利用恒电流电池测试仪测试其电化学性能，除首次嵌锂容量外，20次循环后，放电比容量仍稳定地保持在700 mA•h/g以上。该种材料与其他二元锡基材料相比理论初始容量更高，首次不可逆容量更低，循环性能更稳定。
获奖情况
- 该作品在某高校第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获一等奖；在第五届某省高校青年学术科技作品竞赛中获省级一等奖。
鉴定结果
- 作品为申请人在导师指导下独立完成，论文中的实验测试方法，研究结果都经过鉴定，真实可信。
参考文献
- 现有技术：X射线衍射仪，扫描电镜，循环伏安测试仪等。 技术文献的检索目录: [1] 任建国,王科,何向明,姜长印,万春荣. 锂离子合金负极材料的研究进展. 化学进展,2005 (04): 27-33. [2] 董全峰, 詹亚丁, 金明钢, 锡镍合金的制备及电化学性能[J]•电池, 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.
同类课题研究水平概述
- 1997年日本富士公司的研究小组提出用锡氧化物作为锂离子电池负极材料能获得高达600 mA•h/g的容量后，锡基材料才成了当前锂离子电极负极材料的研究热点之一。 在负极材料方面，由于碳类负极材料的理论嵌锂容量上限仅为 372 mA•h/g，已经成为发展兼备高能量密度、高功率密度、长寿命锂离子电池的瓶颈。因此，近年来高比容合金负极材料成为锂离子电池研究的重点和热点。然而作为负极材料，合金最大的问题在于充放电过程中产生严重的体积膨胀效应( 高达 300%)，该效应能够引起电极材料粉化，降低循环寿命。近年来，纳米技术的快速发展和非晶技术的成熟，为研究解决合金负极材料的体积膨胀问题带来机遇，使合金负极材料展现出广阔的发展前景。 我国合金负极材料的研究大多集中在如何减少材料的不可逆容量或怎样提高循环性能方面。目前广泛采用“A-M”式金属间化合物的形式来缓冲合金负极材料的体积变化,其中A是Al、Sn、Si和Sb等活性贮锂元素，M是不能与锂形成合金的元素。该体系的显著特点是活性粒子均匀分布在惰性基体上，惰性组分可缓冲锂嵌脱反应时引起的体积变形，在一定程度上提高了合金负极材料的循环性能。 近期研究较深入的二元合金有Sn-Sb,Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Ni,Sn-Co体系，这些体系的电化学性能并不是很理想，而三元合金体系研究较少。 锡基合金及其复合物的制备方法主要有机械合金化法、电沉积法、液相共沉淀法、高能球磨法，除此之外还有：热熔法、化学还原法、反胶团微乳液法、组合通量磁控溅射法等，其中反胶团微乳液法、组合通量磁控溅射法因批次规模小或成本高，不适宜工业化生产。 关于合金负极的研究还处于初期阶段。从报道情况来看，国内对于这种新一代合金负极的研究甚少，国外也是近年来才刚刚开始探索，离商品化还有一段距离。合成纳米材料SnSb/Ni有机会取得创新性的成果，将使我国在二次锂离子电池负极材料研究领域向前迈步。
