几种锂电池纳米电极材料的制备与电化学性能研究

发布时间：2016-10-17 22:05

  本文关键词：锂离子电池及材料发展前瞻——第16届国际锂电会议评述，由笔耕文化传播整理发布。

《中北大学》 2013年

几种锂电池纳米电极材料的制备与电化学性能研究

王瑗钟  

【摘要】：锂离子电池具有能量密度高、环境友好、循环寿命长等优点，在移动通讯等便携电子设备中得到了广泛应用。电极材料是影响锂离子电池性能的关键。目前，锂电池中所用的传统电极材料存在着利用率低、锂离子扩散慢、极化大等问题，制约着锂电池性能的提升。纳米材料具有反应活性高、有利于电荷传导和物质输送以及独特的结构优势，可以有效地提高锂电池的性能，其组成、结构、形貌与性能之间的关系需深入研究。因此，本文主要研究了中空Li_4Ti_5O_(12)、ZnCo_2O_4纳米线和中空LiMn_2O_4纳米管的制备及电化学性能。主要内容如下： （1）以C球为模板，利用水热法和固相反应法制备出中空尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)。利用XRD、SEM、TEM和电化学测试系统对样品的物相组成、微观结构、形貌和电化学性能等进行了表征及测试。结果表明：中空微球的直径大约为480nm，壁厚大约为50nm。中空微球在不同的电流倍率下，表现出了较好的倍率性能，尤其是0.2C下，，首次放电容量达到174mAh/g，几乎是Li_4Ti_5O_(12)的理论容量，在100次循环以后，容量还能保持在129mAh/g，容量滞留率达到74%，表现出较好的循环寿命和循环稳定性。这主要是由于中空结构的Li_4Ti_5O_(12)缩短了锂离子的扩散路径，有利于锂离子的快速脱嵌，能明显提高材料的动力学性能。 （2）运用水热/溶剂热法制备出了立方体ZnCo_2O_4，运用牺牲模板法制备出了1D结构的ZnCo_2O_4纳米线。对两种材料进行了FTIR、XRD、SEM、TEM表征和电化学测试。结果表明：得到的为立方相尖晶石结构的ZnCo_2O_4。立方体ZnCo_2O_4颗粒较大，粒径约为2.5μm，ZnCo_2O_4纳米线颗粒较小，粒径约为150nm。循环伏安曲线对于不同形貌和大小的电极材料具有很强的敏感性。两种不同形貌材料的电容量的差异主要是由于材料的结构和形貌不同所引起的，纳米线由于是中空结构，且表面有很多的孔，颗粒尺寸在纳米级，这能够极大的缩短锂离子的扩散路径，提高其动力学性能，从而具有更高的电容量，而立方体颗粒较大，不容易脱嵌锂，因此具有相对较低的电容量。 （3）运用固相反应法以α-MnO_2作为牺牲模板制备出了尖晶石LiMn_2O_4中空纳米管和掺杂不同含量的Co的Co-LiMn_2O_4纳米管。中空纳米管的长度约为1-3μm，管径约为175nm，纳米管的壁厚约为70nm。通过掺杂不同含量的Co，确定了最佳的掺杂量(LMO-1)，对未掺杂的LMO和最佳掺杂的LMO-1进行了电化学测试并进行了性能的比较。电化学测试结果表明，具有中空结构的LMO纳米管具有较好的电化学性能，首次放电比容量达到115mAh/g，50次循环后容量还能达到77.4mAh/g，容量滞留率为67%。掺杂Co之后的LMO-1首次放电比容量达到126.6mAh/g，50次循环后还能达到100mAh/g，容量滞留率为79%，表现出了更加优异的电化学性能和循环稳定性。上述结果表明，LiMn_2O_4和Co-LiMn_2O_4纳米管将会成为一种比较有前途的高能锂电池正极材料。

【关键词】：
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM912
【目录】：

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