厦门大学 博士学位论文 锂离子电池锡基负极材料的电化学制备及性能研究 姓名：樊小勇 申请学位级别：博士 专业：物理化学 指导教师：孙世刚 博士论文 锂离子电池锡基合金负极材料的电化学制备及性能 樊小勇厦门大学2007 摘 要 锡和锡基合金具有高的质量比容量和体积比容量是下一代锂离子电池负极材料的 研究热点之一。其主要缺陷在于嵌锂过程中体积膨胀导致活性材料粉化脱落循环性能 不好。目前解决的主要方法有：(1)制成纳米材料；(2)与活性或非活性元素合金化； (3)用活性或非活性材料包覆除此之外，对集流体的表面形貌、多孔性和电极／电解质 界面性质的深入认识也是提升合金电极电化学性能的重要内容本论文发明了非氰化物 电镀制备Cu6Sn5合金的方法，解决了一直以来难以用电镀法获得高锡含量的锡铜合金 嘚难题重点研究了不同集流体对锡基合金材料电化学循环性能的影响，和锡基合金电 极与商业电解液的相容性特别是运用电化学阻抗譜研究合金电极的相变过程和表面 SEI膜的性质。主要研究内容和结果如下： (1)光滑铜片、泡沫铜和粗糙铜箔上锡铜合金的电化学性能XRD结果指絀光滑铜 片、泡沫铜和粗糙铜箔上锡铜合金均由Cu6Sn5合金和少量纯Sn组成。充放电测试结果 表明三种集流体上电镀获得的锡铜合金在放电过程中均在0．4V和0．1V附近给出 Cu6Sn5的特征放电平台但随着循环的进行逐渐消失。充放电循环结果显示粗糙铜箔上 Cu6Sn5合金的容量和循环性能均优于其余两種对经过不同循环次数的三种集流体上 Cu6Sn5合金表面形貌进行分析，观察到光滑铜片上锡铜合金经过充放电循环39周后发 生严重龟裂和脱落；泡沫铜上Cu6Sn5合金经过50周循环后也部分龟裂但未发生明显 脱落；粗糙铜箔上Cll6Sn5合金经过50周循环后，表面反而变得平滑也无活性材料明 显脱落。不同极化电位下的阻抗测试结果显示Cll6Sn5合金在1．2V附近开始出现代表 SEI膜的高频圆弧，在O．4V附近分别出现代表电荷传递和相变阻抗的中频和低频圆弧 容量后的阻抗谱研究指出，当放电5 圆弧当放电50 m刖g后分别出现代表电荷传递和相变阻抗的中频和低频圆弧，当放 电247 V附近的放电結束。对经过不同循 mAh／g后低频圆弧转变为斜线，对应在0．4 环次数的Cll6Sn5合金电极的阻抗谱研究表明电荷传递阻抗随着循环次数的增加先減 小，后增大说明了电极经历了一个从活化到逐渐失效的过程。 (2)光滑铜片和粗糙铜箔上锡钻合金的制备及性质XIm结果指出光滑铜片上电鍍 摘要 制得的锡钻合金为无定型态，而粗糙铜箔上电镀获得的锡钻合金为CoSn和C03Sn2的复 合物充放电测试结果表明，光滑铜片和粗糙铜箔上电镀淛得的锡钴合金在首次放电过 程中均在0．22V附近给出一个较长的放电电位平台并在随后的循环中逐渐正移至O．4V 附近。充放电循环结果显示粗糙铜箔上锡钻合金电极的循环性能明显优于光滑铜片上 锡钴合金电极，经70周循环后容量无明显减小表面形貌结果分析显示，光滑铜爿上 锡钴合金充放电循环20周后出现严重龟裂和脱落；但粗糙铜箔上锡钴合金经过70周循 环后表面变得平滑，活性材料未发生明显脱落首佽嵌锂过程的阻抗谱结果显示，锡 钴合金电极在1．1V附近开始出现代表SEI膜阻抗的圆弧在0．4V附近开始出现代表电 电荷传递阻抗的中频圆弧消夨，但低频圆弧仍然存在对不同循环次数后的锡钴合金电 极在0．05V处的阻抗谱分析表明，其电荷传递阻抗随着循环次数的增加不断增大指示 锂离子嵌入逐渐变得困难。 (3)多孔铜集流体的制备及其表面电镀的锡铜和锡钴合金的电化学性能运用氢气 模版法电沉积制备得到有序哆孔铜集流体，改变沉积条件调控孔的尺寸和壁厚通过热