SnO纳米颗粒在碳冷冻凝胶中经硫酸亚锡热分解后均匀掺入其储锂性能提高Word下载.docx

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这些特性是有帮助的两个电子和Li+的转移，从而产生较高的速率的能力。

然而，体积容量和CCS的能量密度，因为其相对密度低的明显下降。

因此，提高基于CCS的具体能力材料LIBs的意义重大。

人们努力提高Li+的插入性的完工基材料。

例如，CCS-硅复合材料制备通过简单地添加Si纳米颗粒的水

间苯二酚反相乳液聚合过程中相与甲醛[37]。

另一个例子是，在修改通过高能机械球磨与二氧化硅粉末完工路由可以提供的539毫安H/g的放电容量经过30个循环[36]。

在thosework，颗粒（硅或二氧化硅）不呈现在CCS上的孔中，从而在体积增加复合材料的以及利用协同不大碳与硅或氧化硅或其它的均匀混合的效果材料。

因此，应作出更多努力，以改善中通服为基础的材料的特性，包括设计和锡-碳复合材料由于其高的合成理论容量。

该溶液浸渍已被用来制备碳的氧化锡（或锡）复合材料[41-44]。

例如，有机锡源tributylphenyltin的解决办法是浸渍到多孔碳合成碳-锡复合材料[41,42]。

四氯化锡和锡（CH3COO）2还分别用来制备碳锡（或氧化锡）复合材料[43,44]。

然而，这些试剂或者是昂贵的或容易引入氯气中的杂质。

在这项研究中，社区中心通过一个简单的解决方案通过的SnO2纳米粒子进行了修改用镀液作为锡浸渍-焙烧法来源。

实验结果表明，二氧化锡为15nm的平均直径的颗粒，均匀地分散在整个社区中心，形成CCS-二氧化锡纳米复合材料（CTS）。

二氧化锡纳米粒子均匀分散在CC的孔隙，并且没有体积变化由于添加的SnO2纳米粒子。

表面积的影响，孔体积和孔隙对电化学性能的CC的直径该电流互感器进行了调查的细节。

作为负极材料LIB文件，纳米复合材料具有较高的放电容量，提高循环稳定性和改善率容量与那些既C和纯二氧化锡的比较。

该在这两个组件之间的协同效应电流互感器可记的优异性能。

这是相信这种有效的方法将是大有裨益对其他金属氧化物的CCs复合材料的合成的应用范围。

实验

CCs的制备

完工通过使用间苯二酚，糠醛，六胺和叔丁醇为原料制备的。

从间苯二酚-糠醛完工凝胶的合成工艺类似于以往文献[31]。

制备了三种CC的不同孔径，比表面积和孔容，探讨其对复合材料的微观结构和性能的影响。

一个典型的过程简述如下。

首先，将间苯二酚和糠醛以1:

2的恒定摩尔比混合在一起。

然后，将溶剂（叔丁醇），一个适当的量加入上述混合物中，接着加入六次甲基四胺作为催化剂。

将少量去离子水，也可根据需要添加。

第三，该混合物密封并固化在烘箱中在353K下7天来完成凝胶化过程。

在这之后，将凝胶在真空下在LABCONCO自由贸易区1升干燥在223度冷冻干燥机。

最后，将干燥后的样品在热解氮气在1173K下6h，以除去不需要的有机物，并实现完工。

样品制备用不同的微观结构和表面积的CC的总结于表1中。

CTs的合成

该溶液浸渍-焙烧法的修改CC的说明如下。

首先，CC的人浸渍镀液在乙醇中的饱和溶液293K.其次，将样品在冷冻干燥器中干燥12小时。

最后，将干燥的样品在煅烧在氮气723度1小时。

到改善的SnO2的​​质量比复合材料，浸渍-焙烧周期为重复进行两次或三次。

后三个周期，则复合材料的孔体积非常小。

这不是容易保持镀液的溶液，提高质量二氧化锡复合材料的比例。

纯二氧化锡粉体为

通过煅烧C-2的电流互感器在空气中在773K下1小时制备。

SnO2纳米粒子在碳冷冻凝胶均匀掺入

表1CCs制备中化学品和它们的用法

表2表面积，孔容，和CCS的孔径

描述：

此复合材料，其特征在于粉末X-射线衍射（X射线衍射）与铜一布鲁克D8X射线衍射仪嘉辐射（λ=0.15406nm）的。

微观结构和用JEOL复合材料的形貌进行了分析JSM-7000F扫描电子显微镜（SEM）和费的TecnaiG2F20透射电子显微镜（TEM）在200千伏加速电压下工作。

元素分析样品用能量色散光谱进行（EDS）分析还进行了。

热重分析（TGA）数据收集在茨STA449C。

氮吸附等温线由测量康塔NOVA4200E。

电化学测量

产品的电化学性能采用CR2016型纽扣电池[45]测定。

在制造该半电池的过程中，电极的制备通过压缩活性材料（包括完工，CTS，纯SnO2和CC的混合物，纯的SnO2）的混合物（80重量％），炭黑（10重量％），并于纯铜箔聚偏氟乙烯（10重量％）。

一个2400的Celgard微孔聚丙烯膜被用作隔板。

电解液组成的1M的LiPF6的碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯（1:

1，体积比）的溶液中。

纯锂金属箔被用作计数器电极和参考电极。

这些细胞被组装在充满氩气的手套箱中。

放电和充电测试均使用阿滨BT2000系统与切断电势为0.01V的排放和2V充电。

电化学阻抗谱进行了研究，通过输力强1260阻抗/增益相位分析仪，其中频率变化范围为100kHz至0.05赫兹。

结果与讨论

三种ccs的特点和相应的CT的表征

氮吸附是用来表征在不同条件下制得的比表面积，孔体积，和三种CC的孔隙直径（记为C-1，C-2和C-3）。

这些样品的实验过程中支持信息进行了说明。

样品C-1的氮吸附等温线，C-2和C-3显示在图S1A-C，分别。

相应的数据汇总于表2中。

样品C-2具有最高的孔表面积和最低的微孔表面积，具有481米2/克的总表面积，这是最大的所有三个样品之间。

此外，中C-2中孔容积比均为C-1和C-3的要大得多，而其微孔容积是最小的。

因此，CC的具有不同表面积和孔尺寸可通过调整实验参数进行制备，并在可控合成CC的各种建议是可实现的

C-2的SEM图像显示在图如图1A所示，其中很明显，C-2是由许多小的纳米颗粒，碳粒子，其直径小于30nm彼此连接，以形成聚集体。

应当指出，有聚集体中的一些孔，这些好处的SnO2的加载。

在CTS从C-1，C-2制备和C-3与三个周期被标记为CTS]1-3，CTS]2-3，和CTS]3-3，分别。

X射线衍射分析法检测样品中的结晶相，其结果示于图。

1B。

社区中心（C-2）的衍射峰是模糊的，除了141和261之间的凸性，这意味着该合作中心是无定形碳，这与我们先前的工作和其他文献[35,46]一致。

样品CTS]2-3showsthree明显的衍射峰在26.481，33.721和51.601。

图：

图1（a）完工的SEM图像（样品C-2）;

（二）CCs（C-2），样品B，电流互感器-2]3，和SnO2微晶JCPDS41-1445X射线衍射图谱;

（三）TGA样品的CT曲线]1-3（破折号），CTS]2-3（固体）和CTS]3-3（点）;

（四）放电容量和样本CT的循环稳定性]1-3（实心正方形），CTS]2-3（空心周期），和CTS]3-3（实心三角）在0.1A/GÂ

电流密度。

二氧化锡（41-1445）的标准粉末衍射文件数据被显示在图的底部。

1B。

很显然，这三个电流互感器]2-3峰的衍射图和相对强度与二氧化锡的匹配良好，表明CC的由二氧化锡通过浸渍-煅烧法进行修改。

根据Scherrer公式[47]，则二氧化锡纳米颗粒的直径计算为基础的衍射峰出现于26.48114.6纳米。

但应注意的是，没有峰度到镀液中发现，进一步表明镀液到的SnO2的​​详尽转化。

一种机制是基于上述结果提出，作为显示在方程。

（1）。

141和261之间的广泛凸示范CCS在电流互感器存在]2-3。

在CTS-2]3的XRD图谱的弱凸性可以归因于纳米二氧化锡的相对高强度。

在空气中煅烧的CT-2]3后，为白色粉末，具有微黄色调达到了。

其X射线衍射图谱显示为图中的曲线B。

与JCPDS41比较-1445表明它是纯的SnO2与四方晶系。

来评价复合材料中的二氧化锡的重量比，TGA进行了实验，在加热速率16:

05K/min的空气中以10毫升/分钟的流速，其结果示于图。

1C。

低于380K时的重量损失可以归因于消除吸收/束缚水分子[48]。

700和950K的急剧减肥都归结到对CC的[49]的氧化。

从TGA实验中获得的最终产品被证明通过XRD被二氧化锡。

因此，二氧化锡的电流互感器的质量比]2-3是约35％，高于CT的高得多的]1-3和CTS]3-3。

这意味着，在C-2CC的可能是最合适的底物的SnO2纳米颗粒的主机。

考虑到表面积的结果，可以得出结论，CC的具有高表面积，大孔孔量，更小的中孔直径是受益于SnO2的修改。

这些复合材料中的另一个明显的不同之处在于对应于CC的电流互感器中的氧化温度]2-3是比其它复合材料的下部，露出向氧的反应性高。

氮吸附再次使用该复合材料的特征，而相应的结果显示在表3中。

很明显，CT的相对值是与那些CC的一致，显示了CC的在SnO2的装载的强烈影响。

由于它们的最大孔表面积，CT的总表面积[2-3是约290平方米/克，比两个电流互感器]1-3和CTS]3-3高得多。

此外，该样品的孔表面积也是最大的。

CT的孔容积】1-3，CTS]2-3，和CTS]3-3是0.257，0.514和0.355立方厘米/克。

最大微孔直径和最小直径的间隙孔也发现在CTS]2-3，它们是1.42和3.19处，分别因此，大的比表面积和CT的孔体积】2-3可能是由于在它的低的热稳定性空气，由TGA结果表明。

对Li+的贮存电化学实验进行了评价，复合材料的性能。

图。

1D显示了锂离子储存放电容量和样本CT的循环稳定性]1-3，CTS]2-3，和CTS]3-3在0.1A/g的电流密度。

CT的初始放电容量]2-3是关于1800毫安H/g，且分别只有1056和1181毫安H/克CTS]1-3和CTS]3-3。

在第一次循环的不可逆容量可能是由于二氧化锡的沉积和固体电解质相间（SEI）膜[50]的形成。

因此，CT的高的初始放电]2-3可以归因于高的比表面积，和SnO2的重量比。

另一原因，较大的不可逆容量是指插入的Li+的一部分可以从微细孔中提取，特别是直径小于0.7nm的[51]中的微孔。

相应地，电流互感器]2-3具有最大表面积​​和SnO2的最高质量比显示最高的初始放电容量。

50次循环后，CT的放电容量]1-3，CTS]2-3和CTS]3-3分别下降至308，587和268马虹/克。

CT的最大放电容量]2-3可以归因于三个原因。

首先，二氧化锡的电流互感器的质量比（与理论容量高达780毫安H/克）]2-3是其中最大的。

其次，CT的细孔容积]2-3大得多，这是有利于对体积变化的过程中锂化/脱锂循环的住处。

这可以部分地防止二氧化锡的粉碎，从而导致提高的性能[52]。

第三，更多的Li+可以提取从微孔相对大直径[51]。

因此，CTS]2-3进行了调查，详细的后续研究。

样品电流互感器的结构表征和Li+的存储特性]详细2-3

从C-2下一个，两个做样品，和浸渍-焙烧路线的三个周期被指定为CTS]2-1，CTS]2-2，和CTS]2-3，分别。

为了表征对纳米复合材料（CTS）的多孔结构的处理周期的影响，氮气吸附在再使用它的等温线示于图S2。

这些曲线是彼此相似的，表示该CC的框架很少或没有变化。

C-2，CTS]2-1，CTS]2-2，和CT的详细数据]2-3列于表4。

其最大吸收量从644毫升/克减少（C-2），以395立方厘米/克（为CTS]2-3），示出了孔体积的减小。

由于微孔可能会导致不可逆转的锂离子储存[38,53,54]，该研究主要集中在中孔。

如表4所示，本从198至153平方米/克孔表面积减小，沿与氧化锡的质量比在CT的上升。

该中孔体也减小从0.826到0.514立方厘米/g时，显示出的SnO2纳米颗粒被装入中孔不是CC的外侧。

因此，本大社区中心孔体积有，二氧化锡高在CT的重量比为。

中孔的一致性直径表明，该介孔之后没有被密封的SnO2纳米颗粒的插入。

应当指出的是，比表面积和复合材料的特定体积是密切相关，它们的密度。

在我们的子中，纳米二氧化锡在CCS的毛孔被装没有明显的量改变。

换句话说，CT的密度高于该社区中心的。

如果SnO2中的比表面积纳米粒子和CCS分别计算，他们将与第61米2/克为的SnO2纳米颗粒（根据直径15纳米，如式。

（S1）和202平方米/克服（计算根据公式。

（S2））。

显然，CC的表面积（C-2）几乎是不变的SnO2加载后，当为198平方米/克的初始值进行比较。

此外，该CT的孔容]2-3将0.791立方厘米/g如果量在二氧化锡复合材料被忽视和SnO2的重量中扣除。

社区中心的孔体积的变化也很小。

几乎不变的表面积和体积提供进步的证据表明的SnO2纳米颗粒沉积在社区中心和社区中心是很好的稳定性。

此外CTs与CCs相比将提高性能。

在CTS]2-3的特点是扫描电镜和能谱，如图2和S3。

一个直径约15mm的骨料是发现对Al箔，并且由小颗粒组成。

相应的EDS谱图显示在图如图2A所示，并表明它主要由三部分组成，包括碳，氧，和锡（铝从铝基底检测）。

对应于硫无信号被发现，表明镀液的彻底改造到的SnO2（式

（1））几乎不含硫的任何杂质。

锡的相应元素映射被显示在图2B，说明二氧化锡的CTS中的均匀分布]2-3骨料。

图样品CT的图2（a）的EDS谱]2-3;

锡在CT的粒子（b）元素映射]2-3;

样品的CT（三）及（d）的TEM照片]2-3在不同的放大倍数;

CT的形成（五）简单的示意图。

CTS]2-3的微观结构进行了表征透射电子显微镜和图像显示在图。

2C和D。

在低放大倍数（图2c）的TEM图像显示，同时CC和的SnO2纳米颗粒是可见的。

用较深色的颗粒被确定为二氧化锡，这是装上了社区中心。

很显然，二氧化锡纳米粒子对CC的均匀分散。

图中的高清晰度图像。

2D表明，SnO2中的平均直径为约15纳米。

这个值比的C-2的平均孔径较小。

然而，应当注意到，为3.19nm的孔径的平均值。

有一些小孔，直径比它大。

所以，二氧化锡，直径为15nm的可纳入CC的孔隙。

高分辨率图像也显示了定期晶格条纹与0.34纳米，这与二氧化锡的（110）晶面（JCPDS41-1445）的d值高度一致的间距。

没有明确的格子条纹观察到的CC，呈现出CC的低结晶。

与X射线衍射，这表明，CC由小的SnO2纳米粒子成功地修改了这一结果符合很好。

基于这些结果，提出了CT的合成机制，如显示在图2E。

与多孔结构的CC被浸渍镀液的乙醇溶液。

然后，他们被煅烧在氮气被冷冻干燥后，获得的CT与通过的SnO2纳米颗粒修饰的CC的结构。

应当指出的是，在本研究中开发的纳米复合材料的显微组织是由该文献报道的急剧变化。

该porouscarbon涂了一层纳米带，纳米棒或纳米粒子在潘氏和费的调查。

相反，氧化物纳米粒子内的CC分散孔与其中在本例中的一些空间。

考虑的SnO2中的锂化/脱锂的巨大的体积变化时，二氧化锡纳米颗粒之间的间距分布是有益的，以防止纳米粒子的粉碎，导致纳米颗粒的良好的结构稳定性和优异的循环稳定性。

硬币电池组装表征的CT，CC和二氧化锡的电化学性能，其结果示于图。

3的图。

图3a示出的CT-3和C-2中的第一放电-充电曲线。

在CTS]2-3显示出2030年大的初始放电和充电容量和920毫安H/克，相当于约45％的库仑效率。

有一个明显的高原在大约0.8伏，这是众所周知的如二氧化锡与锂反应以形成无定形的Li2O和SEI膜的形成。

上的电压下降速度快，高原两个CT的第一放电过程中出现在大约1.2V-3和C-2。

这个电压降可以归因于锂离子的不可逆的插入深层次的超细微孔结构[51]。

初始放电容量和C-2的库仑效率约为1650毫安小时/克和22％之间。

库仑效率比那些CTS]2-3较低，以前的报告，这可能是由于大的表面积和mesopocyclicrous结构。

在放电过程中，大约0.8V高原也可以在C-2，这是归因于SEI膜的形成的发现。

的C-2的配置文件是类似于以前的报告中，显示的CC典型的电化学特性。

图3（a）和放电的电流互感器-3和C-2在第一个周期的充电曲线;

（二）CT的循环性能]2-3，纯二氧化锡，和CCS（C-2）;

CTS]2-3，纯二氧化锡，和CCS（C-2）的库仑效率（c）一个阴谋;

（四）循环性能和CT的库仑效率]2-3（A，C）和M-CTS（B，D）。

图3b比较CT的循环特性]2-3，纯二氧化锡，以及社区中心（C-2）。

循环物业在0.1A/g的电流密度，除了第一个周期，在0.01-2电压窗口评价五，C-2的初始放电容量是1650毫安H/克，并迅速消失到326之后毫安小时/克5个周期，逐步250mA的在第50个周期的H/克下降。

纯二氧化锡的放电容量是716毫安H/克。

然而，它很快减少达360mAH/克后，50个循环。

CTS]2-3可以提供的730毫安H/克10日的放电容量和590毫安H/克第50次循环。

很显然，具体的能力和CT的循环稳定性]2-3比两个纯的SnO2和CCS（C-2）更好。

此外，这个值也高于碳-锡氧化物（或锡）高于以前的出版物复合材料[41-43]。

的提高可以归因于的SnO2具有高的理论容量和CC的框架具有良好的稳定性和导电性的结合作出贡献。

三种不同材料的库仑效率示于图3C。

两个纯SnO2和CT的初始库仑效率]2-3是约47％，而只有约22对C-2％。

相对低的库仑效率是归因于的SnO2的分解，SEI膜的形成，和锂离子的不可逆插入微孔[50]。

在下面的循环，CT的库仑效率[2-3是约98％，比纯的SnO2和C-2的水平，显示出CT的一个良好的循环稳定性]2-3。

因此，CC的对锂离子的储存电化学物业由具有修饰的SnO2纳米粒子改善。

为了研究CT的微观结构的影响]2-3在他们的电化学性能，对比实验进行了，其结果显示在图3D。

CC的（C-2）进行机械混合的SnO2与6:

4的质量比，以形成被标记为M-CT的杂种。

如该图所示。

三维，M-CTS可以提供的1820毫安小时/g的初始放电容量，对应于47％的库仑效率。

相同的参数是2050马虹/克，45％的CTS]2-3。

它们的高不可逆容量相关的SnO2的分解，Sn和的Li2O，SEI膜的形成，并在微孔中[50,51]的不可逆的锂化。

双方CTS]2-3和M-CTS的放电容量是约970马云在第二次H/克。

这个值是约590毫安小时/克为CTS]50个循环后，也就是大约2.8倍，而M-CT的2-3。

此外，CT的库仑效率]在所有的50个周期2-3个，预计初期之一，是较M-CT的走高，表明CT的一个良好的循环稳定性]2-3。

这些结果与事实CTS]2-3是不是CC和二氧化锡的只是一个简单的混合相吻合。

方案1显示了一个可能的机制来解释为什么CTS]2-3表现出优异的电化学性能。

首先，在的SnO2纳米颗粒被装上的CC的孔壁而的SnO2纳米颗粒不能被机械地插入到CC的孔隙。

因此，社区中心的电子化电导率的提高贡献较大的电流互感器比在M-电流互感器。

其次，纳米粒子嵌入CT的孔结构]2-3可以抑制结块，造成良好的结构稳定性。

第三，孔隙可以在锂化过程中容纳的体积膨胀锡和防止锡颗粒的粉碎，从而产生良好的循环特性。

第四，连接孔，包括与相关的大尺寸和介孔的微孔，是有益于对Li+的转移，减少极化在LIB中的作用。

为了评估的SnO2纳米颗粒对CC的电化学性能的影响，产能率进行测试进一步。

图4A比较了CTS]2-3和C-2的速度能力。

C-2显示相当低速率容量为290马虹/G在0.1℃的平均放电容量，215毫安H/克在0.2℃，177毫安H/克为0.5℃，150毫安H/克为1℃，128马虹/G在2C.。

1C等于为500毫安/克的电流密度。

虽然CTS]2-3表现出改善的600放电容量，440，335，280，220毫安H/克以类似的速度，分别为。

因此，社区中心作为负极材料的LIB文件的速度能力也可以有效地用纳米二氧化锡修改它们增强。

调查之所以CTS]2-3具有优异的性能，在Nyquist曲线AC阻抗为CC和CT的]2-3分别后的速率容量试验测定，对样品进行脱锂。

图4b中，曲线是由两个部分重叠的半圆在高，中频率范围内，并在其中表示的沃伯格阻抗（Zw的）[13,56,57]的低频范围内的倾斜线。

在Z的实轴在高频率范围内的截距对应于电解质（重）的电阻。

比照和Rf分别为SEI膜（高频）的电容和电阻。

CDL和Rct分别为双电层电容和电荷转移电阻（中频）。

的等效电路示于图S4。

根据该等效电路中，无论是CT的相应拟合曲线]2-3和C-2被显示在图4b及准确值列于表S1。

很显然，这两个CT的回复]2-3和C-2是7.19和5.62O，这是接近对方，显示出电解质的一致性。

CT的RF]2-3为85.88O，比C-2（53.07O）大。

增强的阻力可能是由于厚SEI膜的CTS]2-3，从锡在锂化/脱锂循环庞大的体积变化而产生。

然而，CT的RCT的]2-3为10.2澳，比C-2（75.66O）要低得多，这表明在电流互感器更轻便电荷转移]2-3。

因此，CTS]2-3作为负极材料的LIB文件具有较低的Rct展示出增强，用C-2速率的能力进行比较。

方案1的示意图中旅与相干显微组织是有利的锂离子储存用改进的比容量和良好的循环稳定性。

图4（a​​）率CT的能力]2-3和CCS（C-2）;

电流互感器

（二）交流阻抗]2-3（空心周期）和CCS（C-2，空心方块）后率容量试验。

该线表示拟合CT的]2-3（红色实线）和C-2（粉红色虚线）与等效电路中提取的阻抗参数。

结论

采用浸渍-煅烧法基于亚硫酸盐的热分解的无杂质的纳米复合材料的SnO2纳米颗粒在碳冷冻凝胶的孔的均匀分布可以很容易地