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对于锂离子电池而言,负极材料是影响其性能的关键因素之一。由于石墨类碳材料在充放电过程中具有较好的循环性能,仍然在商业化锂离子电池负极材料中占主导地位。但是石墨负极材料理论容量低(石墨的理论容量为372mAh/g),已经不能满足市场对大容量、快速充放电锂离子电池的需求。因此,研究更高理论容量的新型负极材料是解决锂离子电池发展滞后的一个重要途径。近年来,研究者发现过渡金属及其氧化物具有很高的理论容量,其中SnO2具有较高理论容量(782mAh/g),合成方法简单、无毒副作用等优点,因此被作为锂离子电池负极材料的最佳选者之一。但SnO2材料在锂离子电池负极的实际应用中仍存在充放电过程中体积膨胀导致材料粉化、团聚、容量衰退以及导电率差等问题。
研究发现,调控SnO2纳米材料的结构形貌能有效改善其电化学性能。SnO2纳米线、纳米棒、多孔核-壳空球体、多层纳米花等结构由于具有大的比表面积不仅为锂离子提供了更多的活性位点而且有利于锂离子的脱嵌以及缓冲体积膨胀效应。为改善SnO2负极材料的电化学性能,研究者在合成SnO2材料的过程中控制其形貌和尺寸的生长,SnO2获得更大比表面积的纳米材料,能更好地缩短锂离子的迁移路径、缓冲充放电中体积膨胀效应、增大活性物质与电解液的接触面积等方面改善其电化学性能。同时研究逐渐由单纯SnO2纳米结构到纳米SnO2与其他金属、非金属、氧化物等复合形成复合材料以及参杂其他SnO2金属的方向研SnO2究,并朝着形貌奇特化方向研究,如零维纳米颗粒、一维纳米棒、纳米线、纳米管、二维纳米片、三维多层纳米结构如纳米花,核-壳纳米球等。SnO2纳米线
研究人员采用热蒸发法制备出电化学稳定性和可逆容量高的SnO2纳米线,该材料在电流密度为400mA/g下进行充放电,100次循环后比容量为393mAh/g,在3200mA/g高电流密度下,100次循环后比容量仍保持241.2mAh/g。该材料表现出较好电化学性能主要是归因于空心TiO2基质,提供了稳定的表面保护,能有效地缓冲SnO2纳米线的体积效应。SnO2纳米棒
研究人员制备出整齐介晶质的SnO2纳米棒阵列,该材料充放电性能远高于之前报道的以金属为基板生长的SnO2纳米棒阵列。其优越的电化学性能主要归因于由一维组成的SnO2纳米棒阵列结构和独特的介晶质结构。多孔核-壳纳米SnO2微球
SnO2纳米核-壳微球拥有独特的中空核-壳结构为脱、嵌锂过程中的体积膨胀提供了足够空间,并缩短了锂离子扩散路径,使电极具有高比容量和良好的倍率性能。因此,该结构在锂离子负极材料的应用上受到广泛研究。研究人员发现,碳包覆的核-壳结构SnO2微球能克服材料导电率差的缺点,但该材料的循环稳定性欠佳,于是以水热法和化SnO2学聚合作用合成了SnO2-聚吡咯核-壳纳米复合物。研究发现聚吡咯不仅能抑制SnO2纳米球的团聚而且能在充放电过程中有效缓解SnO2纳米球的体积效应。所以该材料表现出较好的电化学性能,同时该研究为改善SnO2纳米复合材料在锂离子电池负极材料的循环稳定性开辟了新路径。SnO2多层中空纳米花
SnO2多层纳米花结构通常是SnO2低维度纳米片、纳米棒等通过一定的条件组装而成,在制备过程中选择合适的方案和条件对多层结构的形成至关重要。其良好的电化学性能主要归因于多孔结构、高空隙度等。
制备SnO2纳米材料的合成方法、反应条件、锡源、表面活性剂、模板类型等对形貌的形成有重要的影响。因此,在今后的研究中应进一步从改变SnO2纳米材料的微观形貌和SnO2与其它过渡金属及氧化物复合等途径改善其电化学性能并将使其在锂离子电池的应用尽早商业化。