二氧化锡纳米纤维结构构建及在锂离子电池负极材料中的应用机理研究

二氧化锡是n型半导体氧化物，因其具有高表面活性和大比表面积，尤其作为锂电池负极材料时具有高初始容量的优势而备受关注。本课题将研究静电纺丝技术一步法制备实心、空心及碳包覆二氧化锡纳米纤维及其在锂电池负极材料中的应用。主要针对锂电池负极材料中纳米结构二氧化锡循环性能不好，容量衰减快的问题，开展以下三方面的研究：(1)构建实心、空心结构二氧化锡及芯壳结构碳包覆二氧化锡的静电纺丝工艺模型，优化成型条件；(2)研究二氧化锡三种结构的成型机理，尤其对高温处理过程中的高分子分解机理、高温控制机理进行深入剖析；(3)通过该材料的锂电池检测，推测不同结构二氧化锡在充放电循环过程中的作用机制，验证该材料的实际应用效率。所研究的成果具有理论和实用价值。

本课题主要针对SnO2纳米纤维所具有的高表面活性和大比表面积、吸附和表面特性优势，研究其作为锂电池负极的潜在优势。研究了使用静电纺丝协同煅烧或碳化技术一步法制备实心、空心及碳包覆二氧化锡纳米纤维，特别研究了不同结构纳米纤维作为锂电负极材料的电化学性能和作用机理。主要以解决锡基锂电负极材料在脱嵌锂过程中因体积膨胀而引起的结构破坏，从而导致电化学循环性能差的问题，开展以下五方面的研究：(1) 利用柯肯达尔效应中核物质的扩散通量大于壳层物质的扩散通量原理，成功制备了中空SnO2纳米纤维；利用柯肯达尔效应中芯物质的扩散通量小于壳层物质的扩散通量原理，成功制备了皮芯结构的TiO2掺杂SnO2纳米纤维。 (2) 中空SnO2纳米纤维应用于锂离子负极材料时，虽然表现出了SnO2优异的高容量（首圈放电容量688 mAh g-1），但由于结构的不稳定循环性能较差，因此使用水热合成方法对中空SnO2纳米纤维进行包碳研究，通过控制葡萄糖浓度及水热合成时间获得了不同碳层分布及厚度的C/SnO2纳米纤维。结果发现当使用葡萄糖浓度为10mg/ml，反应时间为20h时，该材料具有最高的比表面积29.4 m2/g和最佳的碳层厚度，其80圈的锂电循环容量为704.6 mAhg-1，容量保持率为68.2% 。（3）依据同轴静电纺丝理论 ，在保持静电纺丝的其它条件不变的情况下，仅改变皮芯层纺丝流量，制备了具有不同尺寸纤维直径的纳米纤维。其中，当皮芯层溶液流量比为1:2时，锂电循环性能效果最佳，在此基础上，通过对芯层Sn含量的调整，进一步改善了Sn@C/C纳米纤维作为锂离子负极材料的循环性能，当循环50圈后，容量保持率为73%。（4）通过对比不同形貌结构材料的锂电测试性能，发现Sn基材料的纳米化，并采用C进行包覆，尤其是使用纳米纤维通过传统泥浆方式制备电极材料，有利于形成三维尺度的柔韧结构，缓冲Sn颗粒在脱嵌锂过程中的体积膨胀问题，皮芯结构Sn@C /C纳米纤维是一种理想的电极材料。（5）使用深冷处理提高SnSb/C纳米纤维的结晶稳定性，改善微观形貌结构等物理、力学性能，从而减少锂电循环过程中的不可逆副反应，改善其循环稳定性。这将是把深冷处理扩展到新的应用领域的一种尝试，并取得了一些可喜的研究成果。发表SCI论文6篇，国内核心6篇，申请专利1项。