鋰離子電池錫負(fù)極材料在不同嵌鋰狀態(tài)下的力學(xué)性能研究.pdf

1、隨著人類社會的進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展，不可再生資源逐漸枯竭，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、價(jià)格低廉、安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)的新型鋰離子電池成為人們眼中的新寵。目前，鋰離子電池負(fù)極材料以石墨化碳材料為主，它具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫出。但石墨化碳負(fù)極材料最大的不足是理論容量不高(372 mAh·g-1)，目前實(shí)際應(yīng)用的已經(jīng)接近于理論極限，但是仍不能滿足人們對鋰離子電池比能量的高需求。錫負(fù)極材料具有較高的理論比容量(994 mAh·

2、g-1)，是石墨化碳負(fù)極材料的2.5倍多，且金屬錫價(jià)格便宜，資源豐富。但是作為負(fù)極材料在使用過程中，由于鋰離子的嵌入和脫出會產(chǎn)生非常大的體積變形(~300％)，這直接造成了鋰離子電池電化學(xué)性能的衰退，嚴(yán)重制約了錫負(fù)極材料在鋰離子電池應(yīng)用。為了更有效地利用錫負(fù)極材料，需要對其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。本論文主要開展了金屬錫負(fù)極材料的電沉積法制備、電化學(xué)性能以及力學(xué)性能表征。本實(shí)驗(yàn)中用到X射線衍射儀、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電化學(xué)工作站、納米

3、壓痕儀等設(shè)備，對制備材料的化學(xué)成分、表面形貌、電化學(xué)性能以及力學(xué)性能等進(jìn)行測試和分析。本論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)通過Π定理進(jìn)行納米壓痕問題中的量綱分析，獲得金屬材料基本力學(xué)性能與壓痕測試中的相關(guān)參量間的無量綱函數(shù)關(guān)系，為利用數(shù)值方法建立兩者之間的具體無量綱函數(shù)關(guān)系式提供理論指導(dǎo)。
　　(2)以0.4 mm銅帶為基底，運(yùn)用電沉積法制備鋰離子電池金屬錫薄膜負(fù)極材料。裝配測試電池，分析金屬錫負(fù)極材料的電化學(xué)性能。金屬錫

4、負(fù)極材料首次放電比容量和充電比容量分別高達(dá)755 mAh·g-1和697 mAh·g-1，且具有非常好的充放電電壓平臺。但是鋰離子電池恒流充放電過程中，實(shí)際比容量衰減非?？?，在第10個(gè)循環(huán)的時(shí)候，放電比容量已經(jīng)接近于零，具有非常差的循環(huán)性能。為了研究金屬錫負(fù)極材料的破壞機(jī)理，實(shí)驗(yàn)中定量的獲得了不同鋰化狀態(tài)下的金屬錫負(fù)極材料。
　　(3)通過納米壓痕儀對不同鋰化狀態(tài)下的金屬錫薄膜負(fù)極材料進(jìn)行壓痕測試。運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算出材料的