锂离子电池锡基负极材料的合成及改性研究

当下，锂离子电池作为主要的便携式储能装置，其具有能量密度大，放电电压高，循环寿命长等优良的电化学性能。但是，随着能源领域的不断发展，人们对储能元件的需求越来越高，所以，传统的石墨负极材料已经难以满足人们对于高储能的需求，随着学者们的不断探索和研究，锡基负极材料被发现，锡基负极材料相比较于石墨电极有着低的工作电位、理论比容量大等特点，由此可以对锡基负极材料进行进一步的研究，来提高其的电化学性能。

通过查阅大量的文献发现，锡基负极材料在充放电的过程当中会出现体积膨胀、团聚问题导致电极活性严重粉碎，最终造成比容量迅速衰减，循环稳定性差。此外二氧化锡半导体电导率较低和在首次嵌锂过程中不可逆反应使首次库伦效率较低以及额外消耗了正极材料，限制了锂离子电池的倍率性能。通过对锡基负极材料进行定性研究以及改性探索可以充分缓解锡基负极材料在工作过程中出现的体积膨胀等问题，以此来提高锡基负极材料的锂电池的电化学性能。

近几十年来，随着煤、石油、天然气等不可再生能源的日渐枯竭，以及其燃烧带来的环境污染问题，以及国家出台的“碳达峰、碳中和”政策，能源和环境问题已经成为影响国家乃至世界可持续发展的两大难题。为了解决这两大难题以及响应国家的号召，开发新型绿色可再生能源来代替传统的化石燃料可以说是迫在眉睫，锂离子电池作为新一代储能装置，具有能量密度大、工作电压高、循环寿命长、环境污染小、无记忆效应等优点，是目前广泛使用的储能装置之一。然而生产成本高、实际容量低、安全性能差等缺点严重阻碍了锂离子电池的进一步发展，限制了其在更广泛的领域中的应用。电极材料作为锂离子电池的核心部件，决定了锂离子电池的性能。为此发展成本低、安全性能高的电池电极，成为了提高锂离子电池化学性能的重要前提。所以，现代研究员们不断的探索寻找并来解决电极材料低电导率、体积膨胀以及离子扩散速率等问题，国内学者们通过对锡基负极材料进行形貌设计、纳米化、合金化来缓解锡基负极材料在工作过程中出现的问题。

1.通过纳米结构设计解决锡基负极材料体积效应问题。

2.将碳材料和锡基氧化物复合，结合两种材料的优势，发挥协同效应。

锂与锡基负极材料的电极反应主要分为以下两步：

Li + SnO₂(SnO) → Li₂O + Sn         (1)

xLi + Sn ↔ LixSn(0≤x≤4.4)      (2)

第一步反应不可逆所以存在容量损失，第二步反应是 SnO₂负极材料的容量主要来源。如果两步反应完全可逆，则 SnO₂的理论比容量可以达到 1494 mAh g -1，如果第一步反应完全不可逆，则实际理论比容量就只有 782 mAh g -1，约为商业石墨负极的两倍，也是完全可以满足当前人们对 LIBs 高容量负极材料的需求，但是当SnO₂作为锂电池负极时，在充放电过程中会出现体积膨胀（>300%），这种破坏是重复产生的，从而致使电池的电容量会迅速下降。本实验通过研究制备锡基纳米材料，以及研究C以何种方式覆盖SnO₂能最大缓解体积变大问题和探究如何提高SnO₂的电导率以及SnO₂不同的复合材料与SnO₂/C 纳米复合材料之间的电化学差异。

技术路线：

1.锡基氧化物的制备

通过查阅文献等形式对锡基氧化物进行深入探索，找出合适的方法来合成二氧化锡，利用锡金属盐作为锡源来合成二氧化锡。

2.对锡基氧化物进行改性研究

  选取不同的方法对二氧化锡进行形貌设计：通过以锡金属盐为原料，通过水热法，热蒸发法等方法的改进上制备二氧化锡的纳米材料，在对其纳米化的过程中对其内部进行结构的改良，制作多孔二氧化锡材料，观察并测验其性能来去规划下一步方案。

3.通过C对二氧化锡材料进行包裹

探究不同的包裹方式引起的二氧化锡材料电化学性能的差异，通过对不同包裹方式的二氧化锡材料电导率的测定来研究如何提高电导率，以及观察其结构和对其进行电化学测试，来确定该包裹方式下的SnO₂/C 复合材料是否具有良好的电化学性能，确定最优的覆盖方式来为下一步实验做准备。

4.通过与不同材料复合来制备不同复合材料探究它们与SnO₂/C 复合材料之间电化学性能差异

通过上一步实验得出结论来进行实验，通过查阅文献，研究二氧化锡的结构来制作不同的复合材料，经过电化学测试与SnO₂/C复合材料来比较它们电化学性能之间的差异。

5.以经济成本分析哪种包裹方式最合适，以及哪种复合材料性价比最高。

6.总结分析，并撰写论文以及实验报告。

预期成果

1.知识产权成果

发表一篇高质量水平期刊；项目研究报告一份

2.经济效益

吸引企业投资

1.2024年5月（1个月）：通过各种渠道查阅相关资料，归纳整理国内外学者在相关领域的研究现状和研究成果，确定研究方向与思路

2.2024年6月—2024年7月（1个月）：购买原料

3.2024年8月-2024年10月（3个月）：通过化学方法制备锡基纳米材料，锡基复合材料。

4.2024年11月-2025年1月（3个月）：探究不同的覆盖方式的SnO₂/C 纳米复合材料的电化学性能差异，并比较与其他复合材料之间的电化学性能差异。

4.2024年1月-2025年4月（4个月）：进行实验结果整理分析，并撰写论文。