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锡类-碳纳米管复合材料的储锂性能以及在锂电池中的应用2018-02-02

在碳材料家族中,碳纳米管以卷曲石墨层形成中空的同心圆柱体结构,所具有轴向方向高导电性,同心石墨层具有高的力学性能,作为锡等高容量金属及金属氧化物的理想复合基体材料,其研究受到广泛重视。

1锡-碳纳米管复合材料

科研工作者利用AAO为模板,通过锡浸渍入AAO模板的纳米孔道里,再在其表面热解乙炔生长碳纳米管,最终获得填充锡的碳纳米管复合材料,其中锡的含量为37.6%,锡的颗粒大小为6-10nm。在电压窗口为0.05—3.0V,电流密度为0.1mAcm-2,经过80次循环后电化学性能仍然十分优异,90.1%的初始容量被保存下来,高达473 mAh/g。他们认为该复合材料优异的储锂性能首先应该归于小纳米颗粒的锡,从而CNT内部较大的剩余空间能很好的缓冲锡的体积效应;再次,锡在碳管内部的均匀分散也能缓解体积膨胀产生的机械应力;最后,碳管包覆锡的这种核.壳结构使锡颗粒很好的固定在碳管内部,防止锡的脱离,相反如果锡负载与碳管的外部,随着循环的次数增加,锡会从碳管外表面脱落从而团聚,最终产生较大的体积膨胀导致容量衰减。

与碳管填充锡相比,碳管表面负载锡则是结构差异化最大的碳管锡复合材料。Park等制备了负载与碳管外表面的SnSb复合材料。其循环稳定性相比纯SnSb合金有较大的提高,50次的充放电后,有480 mAh/g的容量保留,占初始可逆容量的71.6%左右。SnSb被均匀的负载于碳管表面,可以防止颗粒之间的团聚现象,从而保证材料的整体结构完整性以及良好的导电性,所以尽管相比于填充型复合,负载型Sn-MWNT复合材料的容量保有率较低,但它与纯锡类材料相比其储锂性能仍然有较大幅度的提高。

2氧化锡-碳管复合材料

碳纳米管与氧化锡的复合材料按其结构的不同仍然可以分为两类:碳管负载氧化锡(Sn02-out-CNT)-和碳管填充氧化锡(Sn02-in-CNT)。Wen等用水热法将具有中孔结构的氧化锡负载于多壁碳纳米管表面,该复合材料相比纯氧化锡具有较大的性能提高。经过50次的小电流密度下(33.3 mA/g)循环,可逆容量保有在344.5 mAh/g,约占首次可逆容量的55.3%,远高于纯氧化锡(12.8%)。Wang等采用湿化学法制备了碳管表面负载不同厚度的二氧化锡层。对比其电化学性能发现,随着氧化锡负载量的增加,其可逆容量也相应增加。但整体的循环寿命仍然较差,在20次循环后,二氧化锡含量最大的样品也只有383 mAhg‘1的可逆容量,占首次容量的52%。

二氧化锡填充碳纳米管型复合材料在结构具有较明显的优异之处,管状结构不仅为锂离子的储存提供活性位,能保证氧化锡的均匀分布,还能为锡的体积膨胀留出较大的缓冲空间,分散其体积变化的应力。因为,其循环寿命明显优于其他结构的复合形式。

3 硫化锡一碳纳米管复合材料

采用气相沉积将SnS2纳米片负载于碳纳米管的表面,形成3维的纳米结构。该硫化锡.碳管复合电极的电化学性能相比于纯硫化锡纳米片而言有较大幅度的提高。经过100次循环后硫化锡纳米片的储锂容量为60 mAh/g,而与碳管复合材料其可逆容量提高至432mAh/g。此外,复合材料的倍率放电性能也远优于纯硫化锡纳米片。

 

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