锂离子电池负极材料Ni基氧化物及其复合材料的制备与性能研究

发布时间：2020-04-19 09:03

【摘要】：随着人们对清洁和可持续能源的需求逐渐增加,从而促进了大容量储能系统的发展。因其重量轻、循环寿命长、自放电低、成本低廉、污染小且能量和功率密度高等优点,锂离子电池在消费电子市场中占据主导地位。目前,商业上使用的锂离子电池负极材料石墨的理论容量较低,仅有372 mAh g~(-1)。因此,开发大容量的新型负极材料迫在眉睫。在过去的几十年中,过渡金属氧化物因其具有较高的理论容量(~1000 m Ah g~(-1))和良好的存储锂能力而被认为是一种很有潜力的负极材料。然而,由于过渡金属氧化物在充放电过程中,其离子/电子电导率低,体积膨胀大,从而导致较差的循环性能和倍率性能。为了克服这些缺点,提高材料的电化学性能,通常对过渡金属氧化物采取纳米化、结构优化以及复合化等改性策略。本论文以NiO基纳米材料为主要研究对象,通过与金属单质或其他氧化物复合的方法来提高材料的导电性和结构稳定性,从而提高材料的电化学性能。主要研究内容和所获得的研究结果如下:通过溶剂热法结合在不同气氛下煅烧处理制备出纳米颗粒状的NiO和鳞片状的NiO/Ni复合材料,分别将Ni O和Ni O/Ni复合材料作为负极组装成锂离子电池,通过对比试验,发现NiO/Ni复合材料表现出优异的循环性能和倍率性能,在200 mA g~(-1)的电流密度下循环80圈后可逆比容量仍有844.7 mAh g~(-1),容量的保留率为107.92%。同时探讨了不同溶剂热反应温度和煅烧温度对NiO/Ni复合材料的影响,发现反应温度为160℃,煅烧温度为350℃的条件下制备的Ni O/Ni复合材料的电化学性能最好。通过水热法结合煅烧处理制备了三组分过渡金属氧化物NiO-Co_3O_4-Fe_2O_3复合材料、双组分过渡金属氧化物NiO-Co_3O_4复合材料以及单组分过渡金属氧化物NiO和Co_3O_4。作为锂离子电池电极材料,发现NiO-Co_3O_4-Fe_2O_3和NiO-Co_3O_4复合材料具有优异的电化学性能,在200 mA g~(-1)的电流密度下循环100圈后可逆比容量仍有1360.2和1169.3 mAh g~(-1)。同时,探讨了乙酸镍和乙酸钴的不同物料比对制备NiO-Co_3O_4复合材料的影响以及硝酸铁的不同摩尔量对制备NiO-Co_3O_4-Fe_2O_3复合材料的影响。发现当乙酸镍和乙酸钴的物料比为1:3时,制备的NiO-Co_3O_4复合材料电化学性能最佳以及当硝酸铁的摩尔量为0.4 mmol时,制备的NiO-Co_3O_4-Fe_2O_3复合材料的电化学性能最佳。通过水热法结合煅烧处理制备出双组分过渡金属氧化物NiO-ZnO复合材料,通过与相同条件下制备的单组分NiO与ZnO对比,发现具有异质结结构的双组分NiO-ZnO复合材料具有优异的电化学性能,在200 mA g~(-1)的电流密度下循环200圈后可逆比容量达到978.3 mAh g~(-1),远远高于NiO的550.8 mAh g~(-1)和ZnO的211.4 mAh g~(-1);在0.1、0.2、0.5、1、2、3和0.1 A g~(-1)的电流密度下各循环10圈,平均可逆比容量依次为738.53、735.54、714.26、688.14、630.82、571.79和773.69 mAh g~(-1),展现出优异的倍率性能。同时,探讨了不同煅烧温度对双组分NiO-ZnO复合材料的影响。在煅烧温度为500℃时,NiO-ZnO复合材料的电化学性能最佳。
【图文】：

锂离子电池,工作原理图,电池负极材料,嵌锂机理

图 1-1 锂离子电池工作原理图[10]Figure 1-1 Working schematic of lithium ion barrery[10].电池负极材料的研究现状电池的性能与正负极材料息息相关，因此，，大量的科研工作者投身中以寻求高比容量的电极材料。而正极材料受嵌锂机理的影响，无

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制备极片采用传统的涂布法来制备。首先按照质量比为 80:10:1乙炔黑。先将海藻酸钠加入放有适量去离子水的 25*25 mm海藻酸钠和去离子水搅拌成均匀的凝胶状溶液，随后加入乙拌器下搅拌 8 h(或者手动研磨 30 min)让活性物质和乙炔黑铜箔上，厚度大约控制在 20 um。将涂布好的铜箔放在 70随后用冲片机将涂布好的铜箔冲切成直径 14 mm 的电极片均匀，质量相近的电极片放入 80 ℃的真空烘箱中干燥 8 h准备组装电池。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】