高能量密度弱体积效应三维有序介孔Sn/CMK-3纳米复合材料的合成及储锂性能研究

批准号:
21201083
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
乔辉
依托单位:
学科分类:
B0502.无机功能材料化学
结题年份:
2015
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
蔡以兵、刘景艳、高大伟、王清清、杜远之、李大伟、王肖娜
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中文摘要
金属锡因其高的理论比容量(990 mAh/g)和体积比容量(7200 mAh/cm3),被公认为是很有应用前景的锂离子电池负极材料。但在充放电过程中存在易团聚、体积变化大等问题而导致循环性能差。最近我们研究发现采用超声化学法将SnO2纳米颗粒负载于有序介孔碳CMK-3的孔道中,可以大幅度提高SnO2材料的循环稳定性能。相关研究成果已发表在SCI收录的美国化学会著名期刊(ACS Applied Materials & Interfaces 2011, 3, 3704-3708)上。本项目将在前期研究基础上,采用超声化学和氢气还原相结合的方法将金属Sn纳米颗粒负载于三维有序介孔碳CMK-3的孔道中,制备具有三维有序介孔结构的新型Sn/CMK-3复合负极材料,在保持Sn良好循环稳定性能的同时,还可大幅度提高该复合材料的比容量。本项目正是在前期研究基础上的延伸、扩展和深化。相关研究还未见报道。
英文摘要
Tin anode has high theoretical specific capacity (990 mAh/g) and volume specific capacity (7200 mAh/cm3), and it was considered as a very promising anode materials for lithium-ion batteries. However,the aggregation of SnO2 nanoparticles and volume changes during the charging and discharging processes lead to poor cycling performance. Recently, we successfully prepared SnO2 nanoparticles inside the pore channels of CMK-3 ordered mesoporous carbon via sonochemical method. Electrochemical properties demonstrated that the ordered SnO2/CMK-3 nanocomposites can significantly improve the cycling stability of SnO2 anode. The studies have already been published in the journal of ACS Applied Materials & Interfaces. In this proposed study, we will synthesis of Sn nanoparticles inside the pore channels of CMK-3 three-dimensional ordered mesoporous carbon via sonochemical and hydrogen reduction method based on our previous studies. The three-dimensional ordered mesoporous Sn/CMK-3 nanocomposites are expected to possess higher reversible capacity and cycling stability than that of Sn anode. This proposed study is a further extension of our previous studies. No related studies has been reported.
现有锂离子二次电池体系体积比能量已接近其极限500 Wh/L,要实现锂离子电池在能量密度和功率密度上的突破,至关重要的“瓶颈”问题是如何设计和发展新型电极材料。因此我们成功开发具有纳米结构的新型有序介孔Sn/CMK-3复合负极材料,在保持良好循环稳定性能的同时,还可以大幅度的提高锂离子电池负极材料的比容量。. 首先利用超声化学法制备三维有序介孔SnO2/CMK-3 纳米复合材料,然后将上述制备的 SnO2/CMK-3 纳米复合材料在氢气气氛下800℃热处理3h,还原生成三维有序介孔Sn/CMK-3 纳米复合材料。小角-XRD谱图表明制备的样品具有有序介孔结构,宽角-XRD谱图表明制备的样品是Sn单质。通过透射电镜(TEM)观察到该材料具有有序介孔结构,孔道中Sn纳米颗粒直径大小约为9 nm;采用比表面及孔径分析仪测试了该材料的比表面积为624 m2/g,平均孔径大小为3.8 nm。通过能谱分析(EDS)计算出复合材料中Sn 的含量约为18%。. 将有序介孔结构 Sn/CMK-3 复合材料在真空手套箱中组装电池测试其储锂性能,电化学性能结果如下:初始充电和放电比容量分别是1450、747 mAh/g,不可逆容量为703 mAh/g,这主要是因为在第一周放电过程中,电极表面有一层钝化的固体电解质界面膜即所谓的SEI膜生成,消耗了过多的锂,造成了较大的不可逆容量损失造成的。随着循环次数增加,容量逐渐下降,但循环10周后稳定下来,循环50周后放电比容量仍达674 mAh/g。并进一步研究了其大倍率充放电性能,在电流密度为100、300、500 mA g-1时,其放电容量分别为775、708、624 mAh g-1。甚至在电流密度为1000 mA g-1时,其放电容量仍然高达546 mAh g-1,证明有序介孔结构 Sn/CMK-3 复合材料具有优良的大倍率充放电性能。. 深入研究了Sn/CMK-3 复合负极材料的有序介孔结构对提高储锂性能的影响机理。Sn/CMK-3 复合负极材料电化学性能优异原因如下:有序介孔碳CMK-3具有良好的导电性能;有序介孔结构可以防止充放电过程中Sn颗粒的团聚和缓冲体积变化;大比表面积有利于活性物质和电解质紧密接触。通过以上研究,说明三维有序介孔Sn/CMK-3 纳米复合材料具有作为锂离子电池新一代负极材料的应用前景。
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Electrospun synthesis and electrochemical property of zinc ferrite nanofibers
铁酸锌纳米纤维的静电纺合成及其电化学性能
DOI:10.1007/s11581-015-1612-y
发表时间:2016-11
期刊:Ionics
影响因子:2.8
作者:费雅倩;陈克;崔荣荣;魏取福
通讯作者:魏取福
Fabrication, structural morphology and photocatalytic activity of porous TiO2 nanofibres through combination of solndash;gel,electrospinning and dopingndash;removal techniques
溶胶组合多孔TiO2纳米纤维的制备、结构形貌及光催化活性
DOI:--
发表时间:--
期刊:Materials Technology
影响因子:3.1
作者:乔辉
通讯作者:乔辉
Incorporation of TiO2 Nanoparticles Into SnO2 Nanofibers for Higher Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells
将 TiO2 纳米粒子掺入 SnO2 纳米纤维中以提高染料敏化太阳能电池的效率
DOI:--
发表时间:2014
期刊:IEEE Electron Device Letters
影响因子:4.9
作者:Sigdel, Sudhan;Qiao, Hui;Wei, Qufu;Qiao, Qiquan
通讯作者:Qiao, Qiquan
Facile synthesis of one-dimensional zinc vanadate nanofibers for high lithium storage anode material
简易合成一维钒酸锌纳米纤维用于高储锂负极材料
DOI:10.1016/j.jallcom.2015.07.265
发表时间:2015-11-15
期刊:JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS
影响因子:6.2
作者:Luo, Lei;Fei, Yaqian;Qiao, Hui
通讯作者:Qiao, Hui
DOI:--
发表时间:2014
期刊:功能材料
影响因子:--
作者:陈克;乔辉;崔静;魏取福
通讯作者:魏取福
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