基本信息
- 項目名稱：
- 多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極的電沉積制備技術(shù)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 錫和錫合金因具有高的質(zhì)量比容量和體積比容量，成為新一代鋰離子電池負極材料的研究熱點之一。但其在充放電過程中體積膨脹導(dǎo)致活性材料粉化脫落，容量迅速衰減的缺點限制了它的發(fā)展。為此，我們提出“多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極”的復(fù)合電沉積制備技術(shù)，在一定程度上改善了錫及其合金的電化學(xué)性能，為其作為鋰離子電池負極材料的應(yīng)用發(fā)展提供了一條新的思路。
- 詳細介紹：
- 無
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的和思路： 近年來，大量研究表明錫基合金適合作為高容量鋰離子電池負極材料，但充放電過程中體積膨脹，活性材料易團聚、粉化、脫落等缺點一直制約該材料的發(fā)展。為此我們結(jié)合現(xiàn)有研究結(jié)果和前人的研究經(jīng)驗，針對錫及其合金充放電循環(huán)性能差等缺點，提出“多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極的電沉積制備技術(shù)”。 創(chuàng)新點： 1.采用氫氣泡模板法成功制備了三維多孔電極； 2.以上述多孔電極為集流體，采用復(fù)合電沉積制備技術(shù)成功制備多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極。 首先采用氫氣泡模板法制備出多孔集流體，然后在惰性氣體下高溫預(yù)處理，再采用復(fù)合電沉積技術(shù)將碳納米管與錫及其它金屬離子共沉積到多孔集流體上制備出一體化合金電極，以改善合金材料的電化學(xué)性能。該電極的多孔結(jié)構(gòu)不僅可容納錫基合金嵌/脫鋰過程中的體積變化、增強集流體與活性材料間的結(jié)合力，還可增大活性材料與集流體間的接觸面積，達到改善錫基合金循環(huán)性能和高倍率性能的目的。碳納米管的存在使得錫基合金納米粒子均勻分散于碳納米管導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中，可有效提高活性材料的導(dǎo)電性和防止錫團聚，改善電極電化學(xué)性能。 技術(shù)關(guān)鍵和技術(shù)指標： 本作品的關(guān)鍵在于多孔集流體的制備及錫基合金與碳納米管復(fù)合電沉積的控制。多孔集流體的制備主要受添加劑A（0.1~0.5 mmol/L）、添加劑B（~20 mg/L）、電流密度（~1 A/cm2）和電鍍時間（~10 min）的影響；碳納米管沉積的關(guān)鍵在于納米管在鍍液中的分散性。
科學(xué)性、先進性
- 本作品采用了氫氣泡模板法制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的三維多孔集流體，以其為基底電鍍錫基合金，制備了多孔集流體/錫基合金，大大提高材料和電解液的接觸面積，減少極化，達到提高鋰電池合金材料電化學(xué)性能的目的；此外，采用復(fù)合電沉積制備技術(shù)制備出多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極，不僅解決了碳納米管與錫基合金的均勻復(fù)合問題，簡化了合成工藝，而且該復(fù)合電極具有優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性和高倍率充放電性能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011年4月獲長安大學(xué)第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 不轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片和樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 電沉積制備技術(shù)具有工藝簡單、可控性好、成本較低、易規(guī)?；葍?yōu)點，是制備金屬及合金的有效方法。該工藝制備電極材料具有如下優(yōu)點： 1.無需涂漿工藝，簡化了電池負極材料的生產(chǎn)工藝； 2.不需要粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，降低電池成本，還可提高比容量； 3.活性材料與集流體的結(jié)合力明顯強于涂漿制品的結(jié)合力。 該作品中制備的多孔集流體不僅可應(yīng)用于鋰離子電池，還可應(yīng)用于燃料電池、超級電容器等，具有廣泛的應(yīng)用前景。 本作品中制得的多孔集流體/錫基合金/碳納米管電極具有高容量、良好穩(wěn)定性和高安全性，有望在動力電池，如電動車電池內(nèi)實用，具有巨大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前，文獻報道的錫基合金負極材料制備工藝多種多樣，但絕大部分合金負極材料都存在著兩個主要的問題：一是首次不可逆容量大，即首次充放電效率低；二是循環(huán)性能不理想。這也是衡量電極材料的兩個重要指標。而解決的方法主要有：（1）減小活性材料的粒徑，即制備納米材料，但納米材料在循環(huán)過程中的劇烈團聚限制了其循環(huán)性能的進一步提高。（2）與其他元素合金化；（3）與一些活性或非活性的材料形成復(fù)合物；（4）采用多孔金屬作為集流體可以緩解體積膨脹，且減小極化，能提高循環(huán)性能。 電沉積制備技術(shù)具有工藝簡單、可控性好、成本較低、易規(guī)模化等優(yōu)點，是制備金屬及合金的有效方法。J.O. Besenhard等采用電化學(xué)沉積法制備了不同粒徑的Sn-SnSb合金材料，200次循環(huán)后仍可達360 mAh/g；Chen等在SnCl2，SbCl3溶液中以 KBH4為還原劑，在碳納米管上沉積得到Sn2Sb-CNTs納米復(fù)合物。以此復(fù)合物為負極材料具有高的質(zhì)量比容量 (580 mAh/g)和比純碳納米管和Sn-Sb合金更好的循環(huán)性能(80周循環(huán)后保持 372 mAh/g)，其改善循環(huán)性能的主要原因是Sn-Sb合金在碳納米管上具有很好的分散性，可以緩解體積膨脹。Mukaibo等用電沉積法制備了不同原子比的Sn-Ni合金，70次循環(huán)的可逆容量650 mAh/g，XRD顯示主要以Ni3Sn4相存在。Tamura等采用電沉積的方法，首先在銅基底上電沉積一層錫，然后熱處理得到Sn、Cu6Sn5和Cu3Sn的復(fù)合電極。此復(fù)合電極由于與基底結(jié)合力很好，所以容量和循環(huán)性能均能得到提高。初始容量 900 mAh/g左右，經(jīng)過10周循環(huán)容量保持90%。Fujitani等首次采用電沉積的方法在粗糙銅箔基底上沉積得到非晶態(tài)79.8Sn-20.2Co（質(zhì)量比）合金。非晶態(tài)的鋰活化相能夠與鋰穩(wěn)定反應(yīng)，提供持續(xù)的容量。形貌和相結(jié)構(gòu)的改變不僅提高了鋰離子在電極與電解質(zhì)界面的擴散速率，而且還提高了電極內(nèi)部鋰離子的擴散速率，從而提高了比容量。 綜上所述，電化學(xué)沉積法是制備合金材料的常用方法，但單一的沉積法制備的材料存在多種缺點，因此我們提出“多孔集流體/錫基合金/碳納米管一體化電極的電沉積制備技術(shù)”，在解決電極材料首次充放電效率低、循環(huán)性能差等缺點的基礎(chǔ)上，制備出多種錫基合金負極材料。
