纳米复合电极材料的设计合成及其在新型二次电池中的应用

发布时间：2020-03-22 17:36

【摘要】：开发具有更高能量密度的锂离子电池、廉价的钠离子电池和安全可靠的水系锌离子电池对于目前便携式电子设备、电动汽车和新能源发电技术的发展至关重要。本论文首先以过渡金属硫化物负极材料(Mo S2,WS2,VS4)为切入点,为了解决Mo S2电子电导率低和活性材料易溶解等问题,首先进行了石墨烯包覆的Mo S2@Ti O2微球的制备及其电化学储锂性质研究。将Mo S2纳米片生长在Ti O2介孔微球内部,并利用超薄的石墨烯包覆提高了材料的电导率,Mo S2的电化学储锂性能得到了明显的提升。为了解决WS2容量衰减快、倍率性能差等问题,进行了有序介孔碳CMK-3限域合成WS2纳米片及其电化学储锂/钠性质研究。将WS2纳米片生长在了有序介孔碳CMK-3孔道内部,少层WS2纳米片与CMK-3的协同作用同时提升了其在锂离子电池和钠离子电池中的电化学性能。为了提高VS4的储钠活性,我们又进行了形貌可控的VS4纳米片与石墨烯复合材料的合成及其电化学储钠性质研究。利用CTAB阳离子辅助与石墨烯复合实现了VS4颗粒尺寸的可控调节,所合成的VS4与石墨烯复合材料表现出优秀的电化学储钠性能。为了将纳米化和复合化的思想应用到水系锌离子电池正极材料的设计与合成当中,我们进行了H2V3O8纳米线与石墨烯复合材料用于高性能水系锌离子电池的研究。首次将H2V3O8纳米线与石墨烯复合材料用作高性能水系锌离子电池正极并系统深入地研究了H2V3O8在储锌过程中的结构变化和反应机理。最后为了获得高功率、长寿命的水系锌离子电池正极材料,进行了氟掺杂碳纳米片用于超长寿命高倍率水系锌离子电池的研究。以氟化石墨为前驱体制备了一种氟掺杂碳纳米片正极材料,材料中的氟原子可以与Zn2+离子以C-F-Zn键的形式发生可逆地吸附与脱附,保证了电化学反应可以快速、稳定、可逆地发生。本文系统地总结了材料颗粒尺寸、复合方式、化学键、异质原子掺杂等因素对材料的物理化学性质的影响,探究了纳米化和复合化对其电化学性质的影响,在分子和原子尺度内分析和理解了材料性能提升的原因,可以为各类储能体系中电极材料的设计、合成与分析起到指导性的作用。
【图文】：

示意图,锂离子电池,工作原理,示意图

2图 1.1 锂离子电池工作原理示意图[1]Figure 1.1 Schematic diagram of working principle of lithium ion battery1.1.2 电池的发展和现状18 世纪末期，Alessandro Volta 在前人的基础上利用不同金属在盐水中存在电势差的现象发明了世界上第一个电池——伏打电池。在之后的几十年间，JohnDaniell 等人对其进行了改进并用于生产制造。1859 年，Gaston Planté发明了第一个可重复充电的铅酸电池，经过 100 多年的发展和改进，目前仍然应用于各个领域。铅酸电池维护简单，使用寿命长，，目前仍被广泛应用于备用电源，启动电

Li原子,绿色,原子,黑色

图 1.2 LiC6的结构示意图（绿色为 Li 原子，黑色为 C 原子）Figure 1.2 Structure diagram of LiC6(Green: Li atom, Black: C atom)1.2.2.2 硅基锂离子电池负极材料Si 和 Sn 等一些金属或半导体也可以用作锂离子电池负极材料。在放电过程中，锂离子与这些材料发生合金化反应。在这些材料中，单质 Si 因其超高的比容量而引起了人们的广泛重视。并且 Si 资源丰富、价格低廉、对环境无污染。其放电平台约为 0.2 V（vs. Li/Li+），也要低于其他合金化材料。单质 Si 的理论比容量可以达到 4200 mAh g-1[34]，几乎是碳材料比容量的 10 倍。但是，相比于碳材料 Si 的电子电导率不高，Si 在与锂离子发生合金化和去合金化反应的过程中，其体积变化可以达到约 400 %[35]。剧烈的体积变化会引起材料的粉化，也会
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM912

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