氧化锡@超薄类石墨烯碳球材料的设计合成与储锂机理研究

Graphene structure carbon materials and tin oxides are both promising anode materials because of their high Li-ion storage capacities. But graphene materials are easy to agglomerate thus lost their electric properties, and tin oxides have poor conductivities, also electrode will crached by volume change during repetitive cycling process with lithium ions. In this proposal, a functional enediyne compound was designed and synthesized on the surface of silica nanoparticles, formed mononlayer by self-assembly, then,through Bergman cyclization reaction of this monolayer and carbonlization, produced ultrathin graphene-like carbon shell. By this method, SnO2@ultrathin graphene-like carbon shell structures were designed and synthesized. In this proposed structure, Carbon shell and tin oxide work together, show excellent properties because of complimentary synergistic effect. In addition, ultrathin carbon layer are tightly cover the tin oxide, improved the volumn changes and electrical conductivity. this structure is more stable and hard to aggregate during cycling compared with common nanoparticles. This proposal will summarize and analyze the mechanism of Li-ion diffusion, insertion and extraction in the suggested SnO2@ultrathin graphene-like carbon shell structure.

石墨烯结构碳材料和氧化锡材料是具有高储锂容量的锂电池负极材料。但石墨烯极易团聚，降低其性能，而氧化锡储锂时由于体积变化造成结构的破坏，会降低其储锂性能。本项目针对以上关键问题，利用烯二炔化合物在二氧化硅纳米粒子表面自组装单分子层，通过Bergman环化反应聚合形成网状结构，热处理并去除二氧化硅后合成超薄类石墨烯碳球，设计了氧化锡@碳球核壳结构，这一特殊结构可以有效分隔类石墨烯碳材料，防止团聚。同时超薄碳球结构可以缓解氧化锡储锂时的体积变化，且提高电导性。本项目将研究氧化锡@超薄碳球合成得组分比例、形貌尺寸控制，并重点研究锂离子在此结构中插入、析出、储存机理。

石墨烯结构碳材料和氧化锡材料由于具有高储锂容量，因此是一种理想的锂电池负极材料。但石墨烯极易因为团聚而降低其性能。氧化锡储锂时，则由于较大的体积变化会导致材料结构的破坏，从而降低其储锂性能。首先，我们通过水热合成法，在盐酸和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的辅助下，成功合成了长度可控的棒状二氧化锡/石墨烯复合材料。电化学性能测试的结果表明，在恒电流充放电的测试中，该材料在200 mA g-1的电流密度下，经过200次循环后其可逆放电容量为981 mA h g-l。随后在此基础上，采用SnCl2·2H2O、TiOSO4和graphene 为原料通过水热法制备出SnO2-TiO2@graphene三元复合材料。该三元复合材料具有均匀的形貌和较大的比表面，以及较高的导电性，电化学反应中石墨烯对SnO2和TiO2 起到了缓冲和保护的作用。在200 mA g -1的电流密度下进行恒电流测试时，经过100次的循环，该材料可逆放电容量以达到1291 mA h g-1。在第三部分中，我们采用简单的一步水热法，通过控制Fe3+和Sn2+的投入比以及醋酸钠的投入量，制备出氧化铁-氧化锡/石墨烯三元纳米复合材料。结果表明：在Sn2+的导向作用和CH3COO-的螯合作用的共同影响下，加入的Fe3+和Sn2+通过一步水热反应最终生成棒状氧化铁和颗粒状氧化锡并均匀负载于石墨烯片上。其中，氧化铁纳米棒直径和长度分别约为30 nm 和150 nm，氧化锡纳米颗粒的粒径约为7 nm。电化学性能测试结果表明，氧化铁-氧化锡/石墨烯在电流密度为100 mA g-1 条件下200 次循环后比容量均保持在1530 mA h g-1。