摘 要

近几年钠离子电池的发展很快，Sb作为高理论比容量的电池负极受到人们的密切关注。然而，钠离子电池在充放电过程中体积变化很大（锂离子电池146%和钠离子电池292%）会导致活性材料与集流体的分离，最终导致电池容量衰减加快。材料纳米化，与碳、TiO₂等材料复合等方法被发展起来，然而纳米材料团聚，表面复合在长循环中同样会发生活性材料脱落的问题。因此，材料纳米化分散均匀的同时，能够被碳材料很好的包覆成为发展的热点。而通过模板法制备的有序介孔碳基体，能够有利于电解液的浸润与传输，而且有序的多孔结构有利于Sb的分散和对体积膨胀起到缓冲的作用。

本文选择Sb纳米材料介孔碳为钠离子电池的负极材料，首先通过煅烧的方法制备介孔碳，后通过不同比例把制备出的介孔碳和Sb元素结合，使Sb附着在介孔碳表面，后将活性物质、导电剂、粘结剂的质量比为8：1：1制成电极片，组装成电池进行电化学测试。实验结果表明，Sb负载量为55%的材料的电化学性能最好，其在循环100圈之后，其放电容量为200 mAh g^-1。明显高于其他负载量的材料，在循环300圈之后，其放电容量为195 mAh g^-1，其容量保持率很高，稳定性好。

本课题拟采用模板法制备介孔炭，后将锑源很好的均匀分散到介孔碳的表面,研究不同负载量锑对电池性能的影响，最后得出负载量为55%的样品的电池性能最好。后研究搅拌分散时间、是否硝酸处理对电池性能的影响，根据实验数据得出上述因素对电池性能影响很小。

关键词：介孔碳 软模板法 纳米化分散 复合材料

Study on Sb Nanoparticle Material @Mesoporous Carbon Composite in Sodium Battery

Abstract

In recent years, the development of sodium ion batteries has been rapid, and Sb as a battery with a high battery capacity has been closely watched by people, low in cost, easy to synthesize and safe, high theoretical specific capacity (660 mAh g-1) and unique layered structure. The advantages are widely concerned. However, a large volume change during charge and discharge (147% for lithium-ion batteries and 293% for sodium-ion batteries) causes separation of the active material from the current collector, which ultimately leads to accelerated battery capacity decay. The material is nano-sized, and the method of compounding with flexible materials such as carbon and TiO₂ is developed. However, the agglomeration of the nano-materials and the surface recombination in the long cycle also cause the problem of the active material falling off. Therefore, while the material is nanometerized and dispersed uniformly, it can be coated by the carbon material to become a hot spot for development. The ordered mesoporous carbon matrix prepared by the template method can facilitate the infiltration and transport of the electrolyte, and the ordered multi-space structure is beneficial to the dispersion of Sb and the buffering effect on volume expansion. In this paper, a mesoporous carbon is prepared by template method. In the process of sol, a series of carbon sources and helium sources are added to satisfy the carbon source coated on the surface of Sb, and then the material is prepared by gelation and heat treatment.

KeyWords：Mesoporous carbon；Soft template method；Nanodispersion；Composite

目录

摘要 I

Abstract III

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2电池的原理 1

1.2.1 锂离子电池 2

1.2.2 钠离子电池 3

1.3钠离子电池的负极材料 4

1.3.1 碳基负极材料 4

1.3.2 钛基负极材料 4

1.3.3 合金化型负极材料 5

1.4锑纳米材料 6

1.4.1 纳米结构 6

1.4.2 Sb元素 6

1.4.3 Sb的纳米材料的问题及解决方法 7

1.5介孔碳材料 8

1.5.1 介孔碳的制备 8

1.5.2 Sb纳米材料与介孔碳结合的实例 9

第二章 实验部分 10

2.1实验药品 10

2.2实验仪器 10

2.3实验方案 11

2.3.1 多孔碳制备 11

2.3.2 Sb/多孔碳复合物的制备（复合物中Sb理论负载量为75wt.%） 11

2.4电池的组装 12

2.4.1 电极片的制备 12

2.4.2 纽扣电池的装配 12

第三章 结果与讨论 14

3.1 XRD分析 14

3.2Sb负载量55%材料的扫描电镜分析 15

3.3电池电化学性能测试 17

3.3.1 C/Sb纳米介孔材料的C-V 曲线测试 18

3.3.2 材料的充放电性能 19

3.3.3 电池的长循环曲线 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 26

文献综述

1.1引言

自新世纪以来，能源匮乏问题凸显出来，同时也出现了一系列环境污染问题。经过数百年的人类开发和挖掘，煤炭和石油等不可再生资源已经消耗殆尽。此外，人们在利用上述材料时会产生大量二氧化碳、二氧化硫等有毒有害气体。这些有害气体会破坏我们的自然环境，甚至危及人们的身体健康。为了解决这一人类社会所面对的巨大挑战，全球各国及地区以及各个国家组织呼吁节能减排，减少化石能源的使用，与此同时开发及其利用其它可再生能源已经刻不容缓^[1]。

太阳能、风能、潮汐能等可再生能源的种类非常多，总量非常大^[2]。目前，主要有四种储能技术，电磁技术、机械技术、电化学技术和相变技术^[3]。电化学储能技术包括锂离子电池、锂硫电池、铅蓄电池、液流电池、镍氢电池等，其中铅蓄电池与锂离子电池应用最为广泛，在市场上占主导地位^[4]。

锂离子电池主要用于小型的电子产品，具有高能量密度、长循环寿命和优异的安全性能，但致命缺点资源短缺和生产高成本将极大地限制发展。钠离子电池的出现有望解决这些很难处理的问题。以当前研究现状而言，钠离子电池在实现商业化的道路上将有望取得引人瞩目的成绩。

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