深冷处理对静电纺锂电负极材料的形貌再造及性能影响机理研究

Currently, electrospun nanofibers are wildly studied as promising anode materials in lithium-ion batteries. In this study, SnSb/C nanofiber is treated by the deep cryogenic technology in order to improve their mechanical property, thermal stability and avoid aggregation during the electrochemical processes. This study includes: (1) Find the optimal technological parameters of the deep cryogenic treatment and preparation methods for SnSb/C nanofibers. (2) the effect of deep cryogenic treatment on rebuilding SnSb/C nanofibers morphologies and the mechanisms of improved mechanical property, thermal stability and others properties will be also explored. (3) According to the energy storage performances of deep-cryogenic treated nanofibers, the mechanism of deep cryogenic treated on SnSb/C nanofiber improved their electrochemical property will be concluded. It extended the deep cryogenic treatment application and enhanced its mechaism systems.It aslo identified the deep cryogenic treatment is a useful method for improving nanofibers’ electrochemical perfermance.

近些年来，静电纺纳米纤维被广泛应用于锂电负极材料。本课题以SnSb/C纳米纤维为研究对象，针对静电纺纳米纤维负极材料的机械性能和热稳定性不理想，颗粒易团聚等问题，以深冷处理作为热补偿技术，开展以下三方面研究：（1）构建适用于SnSb/C纳米纤维的深冷处理工艺参数并优化纤维制备方法；（2）剖析深冷处理技术对SnSb/C纳米纤维的形貌再造机理、力学性能增强机理、电导性影响机制等系列性能影响机理；（3）推测深冷处理在提高纳米纤维电化学稳定性的作用机制，验证该方法处理纳米纤维的实际应用效果。以上探索结果将拓宽深冷处理的应用范围，完善深冷处理机理研究；为改善纳米纤维锂电负极材料的电化学性能提供一种新的方法。

针对静电纺纳米纤维作为锂电负极材料的晶型结构不理想，颗粒易团聚等形貌结构问题，本课题以SnSb/C基纳米纤维为研究对象，使用深冷处理作为碳化前后的热补偿处理方法，阐明了使用深冷处理对微/纳米纤维的形貌再造与晶型结构重塑的协同作用。从成纤过程中高分子前驱体的分解速度及分解物的扩散通量控制角度出发，探讨了深冷与碳化的轮替热处理制度对微/纳米纤维中物相的晶型转变、重塑以及晶格优先生长的作用机制，阐明了合成前驱体、目标产物以及电化学性能之间的晶体结构关联性构架体系。研究结果表明发现，一则在碳化前加入深冷热补偿处理有利于 PAN 分子结构的环化作用，提高得碳率的同时增加 CO2副产物，从而制孔效应明显；反之，在碳化后加入深冷热补偿处理具有闭孔效益。未使用深冷处理的Sn/C纳米纤维、深冷处理过的Sn/C前驱体纳米纤维再进行碳化处理以及其碳化获得了Sn/C纳米纤维再做深冷处理的纤维BET分别是3.4785 m2/g，157.3076 m2/g、147.3795 m2/g。三个样品经过电化学循环100圈后，容量保持率分别是80%，93.9%和83.5%。二则热补偿处理的温度控制对晶型重塑的作用。发现低温处理（-50 ºC）可有效控制纤维热处理过程中的残余应力释放，达到提高纤维中的石墨化程度以及获得分散均匀的纳米纤维包覆金属颗粒的结构构架效果，进而有效缓电化学循环过程中的金属体积膨胀，构建了合成前驱体、目标产物以及电化学性能之间的晶体结构关联性体系，Sn/C纳米纤维-50 ºC处理1小时，电化学循环500圈后，容量保持率高达133.1%。三则，采用不同种前驱体或掺杂制备SnSb/C基纳米纤维，发现含有结晶水的SnSb/C基无极前驱体，在经过深冷、碳化不同热处理后其结晶水的蒸发有利于制孔；而少量的Ti掺杂，在经过深冷处理后形成了有效的颗粒包覆，有利于为提高锂电负极材料的电化学性能，此类研究为提高纳米纤维电极材料的性能另辟蹊径，提出了一种简单易行的方法。