碳包覆金属氧化物复合材料电化学储能性能研究

发布时间：2020-04-03 01:08

【摘要】：作为过渡金属氧化物中的一种,氧化镍由于具有较高的理论比容量、价格低廉等优点成为非常有前途的锂离子电池电极材料。但和其它过渡金属氧化物相同,氧化镍作为电极材料也同时存在着一些亟待解决的问题:一方面是氧化镍电极材料在锂化/去锂化的过程中会造成电极材料的粉化,从而导致电极材料从集流体上脱落,导致氧化镍电极材料的电化学性能不能充分发挥;另一方面是氧化镍本身具有较差的导电性,这也限制了氧化镍电极材料在高能量密度下的应用。因此,本文通过水热合成方法制备了具有三维导电网络结构的花瓣状氧化镍/镍/碳复合锂离子电极材料,该独特的结构显著提高了电极材料的导电性和结构稳定性。此外本文还通过静电纺丝的合成方法制备了具有三维空间导电网络的多孔碳纳米纤维钠离子电池电极材料,提高了电极材料的比容量和导电性等性能。具体的研究内容如下:将硫酸镍、环六亚甲基四氨和葡萄糖通过水热合成制备了碳/氢氧化镍的前驱体,再经高温还原以及低温氧化处理得到花瓣状氧化镍/镍/碳复合锂离子电极材料。通过此方法得到的电极材料中氧化镍以及纳米镍粒子均匀地分散在连续的碳膜中,形成厚度为50 nm的薄片状花瓣。有效降低了活性组分氧化镍的尺寸。另一方面这种独特的花瓣状结构缩短了锂离子扩散距离,有效地缓解了体积变化对电极材料结构的破坏。而花瓣中连续碳膜和纳米镍粒子的存在,显著提高了电极材料的导电性,从而使该材料具有优异的电化学性能。研究结果表明当硫酸镍含量为1.31 g、煅烧温度为700℃时电极材料展示出了极好的电化学性能。其中,当电流密度为0.1 A/g时,可逆比容量为952 mAh/g,同时该材料还具有较好的倍率特性(电流密度为2 A/g时可逆比容量为579 mAh/g)和循环稳定性(在0.5 A/g的电流密度下500次循环后比容量662 mAh/g)。通过静电纺丝合成方法制备了聚丙烯腈纳米纤维,然后经过碳化和氢氧化钾活化对纳米碳纤维表面进行刻蚀造孔,增加了电极材料的比表面积,提供了更多的储钠的活性位点,从而提高了电极材料的比容量;同时由于刻蚀后的纤维出现了更多孔道,有利于钠离子的传输,显著提高了电极材料的电化学性能。研究结果表明经过工艺优化的该材料PANC-3具有非常好的倍率性能(电流密度为2 A/g时可逆比容量为113mAh/g)和循环稳定性(在0.1 A/g的电流密度下500次循环后比容量227 mAh/g)。
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储能技术,领域,功率

源如煤炭、石油等化石燃料的过度开发，人类即将面对严峻的能源枯竭危机，同时由于传统的化石能源在应用过程中也带来了巨大的环境问题，如化石燃料在使用过程中会释放出大量的如二氧化碳等有害气体，造成了巨大的环境污染。因此，各国在现阶段的发展过程中都将寻找和开发能够替换传统化石能源的清洁绿色能源作为重中之重。而目前随着清洁、可再生的绿色能源如太阳能、风能、潮汐能等的大力发展，这些可再生能源在不久的将来必将取代传统的化石能源，因此，世界各国都对其加大了开发力度。但不论是传统的化石能源或是清洁的可再生能源都是不连续能源，为了能够在能源的应用过程中具有连续性，对能源的储能设备进行研发具有重大的意义。因此，人们开发了多种新型能量转换和储能系统，如铅酸电池、镍氢电池等，但这些储能设备也同时带来了一些如能量密度较低和相对于环境不够友好等问题，，并不能满足当今社会对电源的小型化、安全、便携和清洁等方面的要求，使其无法在当今社会中的对能量密度要求较高的汽车上应用，也不能满足当前社会中的智能产品如手机、笔记本电脑等对小型化、便携的要求，限制了其在实际中的应用。因此，增加对能源的使用效率、开拓可再生的能源领域是人类社会进步的前进方向[1-5]。

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第 1 章绪论阴极材料，另一极利用具有较高的插锂电势的嵌锂化合物组成的“摇椅式”模型成功解决了其枝晶问题。科学家们提出了可以通过利用含有嵌锂的化合物来代替锂的构想，因此具有层状的金属锂的替代品化合物受到了极大的重视。在同一时美国学者 Goodenough 等人通过对 LiMO2(M=Co、Ni)等化合物材料的研究，发子能够在氧化钴锂中可逆的插入与脱出，具有较好的性能，展现出作为阳极材料好前景。随着技术的发展，日本公司成功的开发出了一种以 LiCoO2作为电池的材料，以具有石墨结构的焦碳作为电池的阴极材料成功的促成了其商业化发展。，锂离子电池的研发及应用开始了迅猛的发展[14, 15]。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】