2011 电源技术 锂离子电池负极材料SnO2的研究进展.pdf
锂离子电池负极材料Sn02的研究进展 赵铭姝。。 汪飞,尧刚,许敏炜, 宋晓平 (西安交通大学理学院物质非平衡合成与调控教育部重点实验室,陕两西安710049) 摘要:概述了锂离子电池SnO。负极材料的研究现状,总结了SnO。的制备方法、电化学性能和容量保持的原因,文献 表明通过制备纳米结构的SnO。负极材料和碳包覆SnO。复合材料的方法可以提高其循环性能。 关键词:锂离子电池;负极材料;Sn02;纳米结构;碳包覆 中图分类号:TM 912.9 文献标识码:A 文章编号:1002—087 X(2011)10—1296—03 Research progressof Sn02 anode materials for Li—ion batteries ZHAO Ming-shu‘,WANG Fei,YAO Gang,XU Min—wei,SONG Xiao-ping (MOP Key Laboratory for Non Equilibrium Synthesis and Modulation ofCondensed Matter,School ofScience,Xi'an]iaotong University, Xi'an Shanxi 710049,China) Abstract:The research situations of Sn02anode materials for Li-ion battedes were summarized.The preparations, performance and the reason for Sn02 capacity retention were introduced;the literature showed that the nanostructure Sn02 materials and carbon-coated Sn02 nano--composites can improve its cycling performance. Key words:U-ion batteries;anode materials;Sn02:nanostructure;carbon-coated 锂离子电池以其高比能量、高电压、长寿命、无记忆效 为110℃时制得了3 11171的Sn02,在0-1.2 V循环时.首次充 应、自放电小等特性,迅速在移动通讯设备、便携式电子设 电比容量为740 mAh/g,60个循环后容量几乎没有衰减,展现 备、电动汽车等领域得到了广泛的应用,已经成为现代和未 了比另外两个尺寸(4 nm和8 am)的SnO:颗粒更好的电化学 来重要的新能源之一【u。 性能,这是因为3 nm的SnO:颗粒在循环过程中,Sn颗粒没 负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之 有团聚从而经历了可逆的体积变化。 一。目前,商业化石墨负极材料存在的主要问题是:理论容量 1.2一维纳米结构 低(约为372 mAh/g)、安全性能较差等,已不能满足高容量、高 P.Med血等f41通过化学气相沉积法制备了sn纳米颗粒 安全锂离子电池的需求。因此。探索其它可替代的高容鼍、高 均匀分布在SnO:纳米线上,其具有很好的可逆容量和循环性 安全性负极材料,已成为国际上研究的热点之一。其中,SnO: 能。在0~2.2 V循环时,100次循环后町逆比容量仍超过800 因为具有高的理论比容量(790 mAh/g)121而备受研究者的关 mAh/g。如此优良的电化学性能主要原因是:SnO:纳米线上的 注。但SnO:存在的主要问题是循环过程中伴随着巨大的体 sn颗粒l'日l的空间有利于体积膨胀;Sn颗粒的比表面积高有 积变化,材料容易粉化、失效,循环性能较差。为进一步提高 利于Li合金化;Sn与Li20存在nr逆反应。 其循环性能,目前最有效的方法主要有:(1)制备各种具有疏 松结构的纳米材料;(2)制备SnOdC复合材料。 Min.S.Park等[51通过溶胶凝胶法和热蒸镀法分别制备 了ShO:纳米管、纳米线、纳米粉末,并对它们的电化学性能进 本文将重点阐述目前国内外研究人员通过这两种方法制 行比较后得到:SnO:纳米线的首次放电比容量为2 137 备的SnO:负极材料的微观结构及其电化学性能。 mAh/g、SnO:纳米管的首次放电比容量为2 304 mAh/g、Sn02 1纳米结构对性能的影响 纳米粉末的首次放电比容量为1 850 mAh/g;50次循环后它 们的ⅡI逆容量大约依次为230、210、90 mAh/g。这些结果证明 1.1零维纳米结构 C.Kim等p】通过水热法在不同温度下制得不同尺寸的 SnO:纳米颗粒。随着温度的升高,颗粒尺寸越来越大。当温度 SnO:纳米材料的电化学性能与它们的形貌特征息息相关:比 表面积大主要有利于Li+的存储;单品结构更能保持材料的 电导性和增强Li+的传输能力;多孔结构有利于缓解体积变 收稿日期:2011一03—17 基金项目:陕西省自然科学基金(2010JM6018);西安一应用材料 创新基金项目(XA-AM一2008—16);西安交通大学校交叉项目 化。 1.3三维纳米结构 (01 09-081 400201. D.Deng等[61通过水热法制备了空心核壳结构的sn02 作者简介:赵铭姝(1973一),女。辽宁省人。副教授,主要研究方向 为新型功能材料。 mAh/g,30次循环后其町逆比容量仍几乎可达到其理论比容 联系人:赵铭姝 201 1.10 VOI.35 万方数据 球,在0.005~2 V循环时,首次放电比容量达到2 358 No.10 1 296 量,其原因主要在于这种空心核壳结构的材料可以储存大量 2.3石墨 的Li+。 s.M.Paek等ILq通过化学合成法制备了SnOJ石墨纳米 C.Wang等171通过水热法制备了新型花状的Sn02纳米 多孔电极材料,在O.05~2V循环时.30次循环后其可逆比容 片,在0.1 c的倍率下,0.005—3 v循环20次以上,仍有559 量仍 ̄Ⅱr达到570 mAh/g。这种被石墨纳米片包围的SnO:纳米 mAh/g的可逆比容量,这源于花状SnO:结构较大的比表面积 颗粒可以限制其巨大的体积变化,引入的石墨不仅可以储存 和孔隙度。 “,而且可以增大电子导电性。 R.Yang等is/通过水热法制备了纳米片并自组装3维花 2.4碳纳米管 状Sn02结构,在0.005~I.5 V循环,30次循环后能获得670 H.x.Zhang等【旧成功地制备了SnO:纳米颗粒均匀分散 mAh/g的可逆容量,第2个循环后每个循环容量平均只降低 在碳纳米管上,以0.1 c的倍率在O.01~3 v循环时,首次充 0.95%。这种纳米片提供了较大的电解液/电极的接触面积和 电比容量高达851 mAh/g;48次以后可逆比容苗已经达到 快速的离子电子传输。而且这种特殊的疏松结构可以缓解Li l 004 mAh/g。其优良的电化学性能主要是因为导电的网状碳 嵌入过程中巨大的体积变化,这些都有助于电化学性能的提 纳米管多孔结构和sn02纳米颗粒的均匀分布。 高。 G.D.Du等旧通过水热法制备了SnOd多层碳纳米管复 Y.Yu等19]通过静电热喷镀法制备了无定形SnO:薄膜, 合材料。在0.01~3 V循环100次以上,仍有402 mAh/g的可 在0.0l~3 V循环时,100次以后可逆比容量仍超过689 逆比容量,它的倍率特性也较好,主要是由于纳米级的活性材 mAh/g;即使在10 C的高倍率下,也能获得362 mAh/g的稳定 料,而且碳纳米管可抑制SnO:的团聚。 可逆比容量。其优良的电化学性能主要是由于三维多孔结构 3结论 给体积变化提供了缓冲层。而且泡沫状的基底增大了电极与 SnO:作为锂离子电池负极材料,具有较大的应用潜力。 电解液的接触面积。 SnO:负极材料要商业化,必须在能发挥其高理论比容母的前 2碳源对性能的影响 提下,提高其循环性能。通过改变制备方法,得到纳米级和碳 2.1葡萄糖 包覆负极材料是未来研究的方向之一,若能解决Sn02由于锂 x.W,Lou等(-嗵过水热法制备了SnOdC复合双壳空心 脱嵌引起的体积变化而导致的电极崩塌粉化现象,它将有望 球,在0.005-2V循环,电流密度为100mA/g时,50次循环后 成为短期内实现商业化的负极材料之一。 能获得473 mAl『l/g的可逆比容量,引入的碳网既可以缓解巨 参考文献: 大的体积变化,又可以增加电子导电性。 …TARASEON J M,ARMAND M.Issues and challenges facing静 x.W.Lou等lll砸过模版法和水热法制备了同轴的SnO,@ Carbon空心纳米球,以0.8 C的倍率在0.005 2 V充放电,100 chargeable lithium batteries【J】.Nature,2001,414:359—367. 【2】WINTER M,BESENHARD J O,SPAHR M,et a1.Insertion elec- rechargeable lithium batteries【J】.Adv Mater, 次循环后,其可逆比容量仍保存在460 mAh/g,而且其倍率特 trode materials for 性也较好,该结构结合了空心结构和碳包覆两者的优点。 1998,10(10):725·763. J.Liu等I埘通过两步水热法制备了紧密型核壳结构的 【3】K1M C,NOH M,CHOI M,et a1.Critical size ofa nano Sn02 dec- trode for Li—secondary SnOtC复合材料,首次循环过程中,充电比容量为1 331 mAh/g,放电比容量为890 mAh/g,容量损失33%;在0n 2 V 循环时。50次以后可逆比容量仍超过640 mAtVg;即使在5 A/g的高电流密度下,也能获得495 mAh/g的稳定可逆比容 battery【J】.Chem Mater,2005,17(12): 3297.3301. 【4】 MEDURI P,PENDYALA C,KUMAR V,et a1.Hybrid Tin oxide nanowires as stable and high capacity anodes for Li-ion batteries 【J】.Nano LeRers,2009,9(2):612-616. 【5】PARK M S,KANG Y K,WANG G X,et a1.The effect ofmorpho- 量。这种碳核可以阻止由于充放电过程中体积变化而引起的 logical SnO:壳坍塌,它还是良好的电导体,且SnO:纳米颗粒能够缩 modification on the electro-chemical properties of Sn02 nanomaterials[J].Adv Funct Mater,2008,1 8(3):455-46 1. 【6】DENG D,LEE J Y.Hollow core-shell mesospheres of crystalline 短Li的传输距离。 Sn02 nanoparticle aggregates for high 2.2苹果酸 capacity Li+ion storage【J】. Chem Mater,2008,20(5):1 841—1 846. M.S.Park等㈣通过热蒸发和热分解法制备了碳包覆SnO: 【7】WANG C,ZHOU Y,GE M Y,et a1.Large-scale synthesis of Sn02 粉末,以100 mA/g的电流密度在O.05~1.5 V循环时,充放电 nanosheets谢t11 higll lithium storage capacity【J】.J Am Chem Soc, 2010,132(i):46-47. 首次不可逆比容量仅为732 mAh/g。30次循环后,可逆比容量 仍大于400 mAh/g。这种热分解得到的无定形碳可以缓解体积 【8】YANG IL GU shaped Sn02 变化和保持活性材料之间的电接触。 Y G,LI Y Q,et a1.Self-assembled 3-D flower- nanostructures with improved electrochemical perfor- malice for lithium storage【J】.Acta Materialia,2010,58(3):866·874. B.Liu等㈣通过熔盐法制备了超细多孑L的SnOJC纳米复 【9】YUA Y,GU L,DHANABALAN A,et a1.Three-dimensional 合材料,在0.05~1.5 v循环时,首次库仑效率达到70.6%, porous amorphous Sn02 thin films as anodes for Li-ion batteries[J]. 100次以后可逆比容量为449.7 mAh/g,其良好的电化学性是 Electrochimica Acta,2009,54(28):7227-7230. 因为材料的多孔结构和引入的C成分。 万方数据 【10】LOU X W,DENG D,LEE J Y,et a1.Preparation of SnOdcarbon 1 297 201 1.10 V01.35 No.10 composite hollow spheres and their lithium storage propenies【J】 Chem 5382—5386 5]PAEK S M,Y00 E.HONMA Mater,2008,20(20):6562-6566 [11】LOU x W,LI c M.ARc旺R L A Designed synthesis ofcoaxial SnOf掣carbon hollow nanospheres for highly reversible L『U H矾o Lett,2009,9(1):72—75 J,Llw,MAN丁}ⅡRAMA.Dense core—shell structured SnO/C composites as high performance anodes for lltllium Ion 61 batteries 【131 M S,KANG Y M,KJM J H,et al ture carbon encapsulation OB In situ synthesis for 1j山ium—ion bat. teries fJ】Adv Mater,2009,2l(22)2299—2304 the electrochemical performance of L113 B,GUO Z P,DU G D,et al Cross-stacked carbon binder-ffee and high—capacity anode materiaJ Effects oflow-tempera- 71 DU G D,ZHONG C,z}iANG P,et a1 Tin dioxide/carbon nano— tube composites with high uniform SnOz loading“anode ma— Sn02 nanopowders[J]Carbon,2008,46(1):35。10 f141 ZHANG H x,FENG C,ZHAI Y C.et al nanotube sheets uniforrnly Ioaded with SnO,nanopanicles:A hovel f门Chem Commun.2010,46:1437.1439 PARK Enhanced cyclic performance trodes with three—dimensionally delaminated flexible structure Ij] lithium storage【J】Adv Mater,2009,21(24):2536-2539 |121 I and lithium storage capacity of SnO:/graphcne nanoporous elec- of ultra.fine. terials for 1ithium lon baflefies【J]Ehictrochimica Acta,20lO.55 porous.tin oxide—carbon nano composites via a molten salt method f71 2582—2586 for lithium—ion batteries【J]J Power Sources,2010,195(16). (上接筚1274页1 tD=-43 2。时,LVS的A相相电压、变JK器原边电流、三相电感 测试.方法如下:在串口~sB通信测试叶I,利用卜位机软件 电流的实验波形。由蹦10可见,高压侧和低压侧对应开关管 通过串口连续发送字符申,令DSP返酬应答’}符串.柏:CAN 上的驱动实现了移相控制,变压器高压侧vk为阶梯波,峰值 总线通信测试中.利用总线上其他节点发送不|1j]标示符的标 在16 V左有.最终负载上也|f以得到比较平直的254 V电 准帧数据到DSPCAN模块的不同邮箱,令DSP按邮箱号返 压。电路很好地实现了大变比变压功能,且波形也与仿真结果 同应答数据在TCP通信测试巾,利用Pc机PingDSP的IP 相吻合。 地址,检洲庄接状态和返回时问。测试结果显示,通过不同的 通讯接几,变换器能与不同控制端可靠连接井双向通信。 本文介绍了一种智能三相双向DC/DC变换器的设计.着 重介绍了监控系统各类接口包括串口/USB通信接u、CAN 总线接口、Interne'd局域网通信接订和键盘显示接几等的设 计.同时介绍了监控规则、DSP控制器的程序框架和上位机监 控软件界面的设计.试验结果显示变换器能够通过移相控制 一痒、《。I)《厂1~工痒;。I)>、.o 实现功率变换,同时可以通过不同的通讯接口与多种监控端 t/Bs(10 gsl格1 双向通信,实现上位机主从式监控、CAN总线式分布监控和 基于网络的远程遥控。 L 参考文献i 【1】马桐.瞿文龙,刘圆圆一种新型双向软开关DC/DC变换器及其 软开关条件【J]电工技术学报,2006.2lf7):15—19 【2】2 高金萍,黄声华,庞埏.等新型双向DC/DC变换器U】.电力电子 技术.2008,42(10):34.36 【31侯永涛,王殿魁电源监柠系统埘智能电源设备基本要求的探讨 一_I}~t喜I)《1~.(聋、《毒I)《~: 【刀邮电设计技术.1999(7):25—27 t/pl(10 psi格l 【4】刘关德,余学飞基r SPI总线和WSl00的医疗仪器网络接口设 图10变换器主要波形 计[J】生物联学丁程研究.2008.27(3):201—204 o 2通讯删试 [51许俊超,宋爱国基于Measurement Studio的人体平衡功能测试 分别针对串u/USB通信、CAN总线通信、TCP通信进行 置:一 0’。。0】::暑 万方数据 o?j ’:≯毫岔 分析软件设计【盯测控技术.2009,28(4):73.76. 锂离子电池负极材料SnO2的研究进展 作者: 赵铭姝, 汪飞, 尧刚, 许敏炜, 宋晓平, ZHAO Ming-shu, WANG Fei, YAO Gang, XU Min-wei, SONG Xiao-ping 作者单位: 刊名: 西安交通大学理学院物质非平衡合成与调控教育部重点实验室,陕西西安,710049 英文刊名: Chinese Journal of Power Sources 年,卷(期): 2011,35(10) 电源技术 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dianyjs201110035.aspx