SnO2TiO2异质结构纤维锂电池负极材料的制备及其电化学性能的研究[20200411160712]
摘 要
TiO2纳米材料改善锂交换效率，比容量的大小和循环性能力，很好的克服了电子和离子运输之间的限制，从而进一步改善材料的电化学性能。SnO2的初始电容量很大，循环性能也相对比较好，但在充放电过程当中由于体积的激烈变化会导致系统循环性能的快速下降。合成的TiO2/SnO2纳米复合负极材料在很大的提高了复合纳米材料的电化学循环的性能。本论文以高压静电纺丝的方法制备TiO2纳米纤维，并在碱性条件下进行水热复合从而制备SnO2/TiO2异质结构纤维。利用SEM，XRD对其结构及性能进行表征并以其为负极材料制备锂电池测试性能。
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关键字:锂离子电池负极材料静电纺丝纳米纤维
目 录
1.前言 1
1.1 引言 1
1.2静电纺丝 1
1.2.1 静电纺丝的影响因素 1
1.2.2 静电纺丝的用途 3
1.2.3 静电纺丝的发展前景 3
1.2.4 SnO2/TiO2复合材料的特点以及运用前景 3
1.2.5 SnO2/TiO2复合材料的制备方法 5
1.3 锂离子电池 5
1.3.1 锂离子电池的组成和原理 5
1.3.2 锂离子电池负极材料的分类 6
1.4 本课题研究的内容与目的 7
2．实验部分 7
2.1 实验药品及仪器 7
2.2 材料的制备 8
2.2.1 TiO2纳米纤维的制备 8
2.2.2 SnO2/TiO2复合材料的制备 8
2.3样品的表征和电化学性能测试 9
2.3.1样品的表征 9
2.3.2 电化学性能测试 9
3 结果与讨论 12
3.1 XRD的表征 12
3.2 SEM的分析 13
3.3电化学性能测试结果与分析 14
4.结论 19
参考文献 20
致 谢 21
1. 前言
1.1 引言
从20世纪70年代到如今，随着人们对电池技术的不断发展，锂离子电池是逐渐变成一种新式储能电池。锂离子电池的能量很高、充电功率范围比较宽、循环性能比较好、倍率放电性比较好、记忆效应几乎为零，具有较小的内阻、较高的性价比[1]。广泛的应用在移动电话、小型摄像机、笔记本电脑等电器设备上.同时在电动汽车、卫星、航天航空和空间军事等许多高端范畴也显示出了相当开阔的应用前景和较大的潜在经济效益。
1.2静电纺丝
静电纺丝也就是人们经常提起的电纺技术，静电纺丝的基本原理：使聚合物溶液拥有高压静电，当有充足大电场力时就可以使聚合物液滴克服溶液表面张力进而形成快速的放射细流。带静电的聚合物射出的物质被细化，同时变得卷曲、劈裂，同时溶剂会进行蒸发或固化，纳米纤维膜就被慢慢收集于收集板上。如图1所示：
图1 静电纺丝装置图
相对传统的纺丝方法来讲，静电纺丝更有利于制备细长而且性能良好的纳米纤维。随着纳米技术的发展，静电纺丝作为一种新式的简便而且有效的生产纳米纤维的加工技术，未来将在生物工程、食品工程、化学工程以及物理等许多大的范畴发挥广阔作用。
1.2.1 静电纺丝的影响因素
静电纺丝法制备纳米纤维受到许多工艺参数的影响，这些参数很大程度的决定了纳米纤维的结构形态和性能。主要从三方面来谈影响因素：一是聚合物本身的元素组成以及其形成溶液后溶液的性能(化合物的相对分子质量、溶液的溶解性、表面的张力、电导率，液体的粘度等)。二是加工静电纺丝的工艺（外加电压，收集装置之间的距离）。三是外界环境（如温度、湿度、气压类型和压力等）。
(1)聚合物及其溶液性能： 聚合物本身的元素组成以及自身的结构会影响分子之间的相互作用，同时也会影响大分子和溶液中所带电荷的相互作用，这样静电纺丝溶液的导电性和粘度就会受到了很大影响，这样会进一步影响高压电场中射流的运动，最终纤维的性能就被影响。聚合物及其溶液的相关表征参数主要有溶液的溶解性、相对分子质量、黏度、表面张力、电导率等[2]。通常，聚合物相对分子质量越高，溶剂对聚合物的溶解的阻力越大，制备的溶液的黏度就会被直接影响。溶液中化合物分子的相对分子质量的会逐步减小，此时纺丝后产生的纳米纤维形态将发生一些列的变化。聚合物溶解过程也就是溶剂通过较慢的扩散速度使聚合物分子之间的作用力才减小，聚合物发生溶胀并逐步溶解。聚合物的结构和结晶度直接影响聚合物的溶解性能，而此性能会导致纤维的外观形态的改变。溶剂的确定对于纺丝液的性能有着很大的影响，为了得到比较好的选择，进行溶剂的介电常数考察是相当重要，它能够很好的表征溶其对聚合物分子溶剂化的能力以及隔开离子的能力，溶剂的介电常数越大，隔开离子的能力就越大。此外，我们还要考虑溶剂的毒性和挥发性，前者会提高回收的成本和工艺操作的安全性，后者则会导致纤维之间是否发生相互粘连。制备而成的溶液表面的张力同样也是影响静电纺丝结果一个十分重要的因素，只有溶液的表面的张力被聚合物溶液上的电场力克服时，溶液液滴的最前端才能从半球的形状变成为射流放射我们所需要的泰勒锥形。静电纺纤维上形成珠状体也是由于溶液表面张力。温度的高低和溶剂的组成同样是影响表面张力的两个主要因素，溶液的可纺性能性与溶液的种类有关，溶液不同，性能就有所差异。对于给定的聚合物，必需选取相对而言比较适合的溶剂，这样才能获得很好的纺丝效果[2]。
（2）加工工艺：电场力对射流的拉伸作用随外加电压的增大而增加，这样使制得纳米纤维的直径减小。外部静电电压的高低还会影响纤维的结晶度，当电压的值低于某个临界电压值时，外加静电电压的值增大，结晶度也会在一定程度的增大，而当外加静电电压值大于该临界值，射流在空气中的时间的减少导致用于结晶的时段减少，结晶度也就变少了。静电纺所用到的外加电压多为直流高压，静电纺丝同样可以利用交流电压，交流电压会减小射流在电场中运动而产生的不稳定性，同等电压强度下，交流电压获得的纳米纤维的直径比直流电压大。交流电压相对于直流电压，更利于获得更厚的纳米纤维网，原因在于携带的正负电荷不断交替有效地避免了同种电荷的过度积累。纳米纤维的飞行时间和电场强度会直接受到接受距离的影响。当接受间距比较小时，还没有挥发并且剩余在纤维的溶剂会导致纤维相互粘着在一起进而使纳米纤维网性能劣化。此外，在适合电压的下，针头与接收板的间距较小会明显提高电场的强度，进而显著减少了了放射流比较平稳的性能，最后只会增加形成纳米纤维上珠状形体的趋向。在给定的制约情况下，对于一个特定的溶液流体，总是存在一系列比较合理的外加电压和溶液流量，使得静电纺丝够在很长时间内保持稳定，并可获得形态和直径相对比较匀的纳米纤维材料。
（3）外界环境：静电纺丝产生的纳米纤维的形态会一定程度的受到环境因素(比如温度、湿度、气氛类型和压力等)和聚合物射流之间的相互作用的影响。环境温度影响溶剂的挥发度，较高的温度使得溶剂很好的挥发，可以防止接受屏之间纳米纤维的粘接，而且有利于纳米纤维的顺利揭取；较高湿度的情况下进行纳米纤维的制备，有利于在纤维表面结构上产生微孔，如果使用有机溶剂时，空气中的湿气萃取有机溶剂从而使针头尖端液滴发生凝固，最终导致针头堵塞而使得静电纺丝过程终止；不同的气压在静电高压电场下会表现不同，在密闭静电纺丝体系中，可以研究了解压力对放射射流的作用，一般而言，压力越小越不利于纳米纤维很好的制备，因为当压力低于大气压时，更多的溶液会容易流出针头，使得射流初始段发生不稳定的现象。
1.2.2 静电纺丝的用途
通过静电纺丝技术制备纳米纤维材料是近十几年来世界材料科学 技术领域的最重要的学术与技术活动之一[3]。比如电纺制得的纳米丝可以很长，纤维直径可以更小，比表面积更大等[3]。纳米纤维直径小，比表面积大，未来将在生物工程、食品工程、化学工程以及物理等许多大的范畴发挥广阔作用。
1.2.3 静电纺丝的发展前景
静电纺丝制备纳米纤维的装备比较简易、有很低的成本、可进行许多类别物质、制备工艺在一定程度上可以很好的控制，基于上述的有点，已成为制备纳米纤维材料重要的手段。纺丝工艺已经成功制得多种多样的材料，包括有机、有机/无机复合、中空以及无机纳米纤维。但该工艺难以获得相互分开的纳米纤维长丝或短纤维且纳米纤维的强度较低。纳米纤维的有效定向化、纳米纤维的集束成纱化以及纳米纤维的批量化也同样是急需解决的问题。静电纺丝工艺发展到现今，唯有好好地处理这些实际问题，才会使其在工程化应用中发挥更重要的作用。但随着静电纺丝装置的不断改进，工艺的不断完善，纤维制备的成本会大大削减，生产规模会变得越来越大，静电纺丝的发展前景一派光明。

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