几种纳米结构锂离子电池负极材料的设计、水热合成及其电化学性能研究

发布时间：2020-11-01 05:02

　　 随着能源需求的日益增长以及环境污染的加剧,开发出清洁高效的新型能源已成为当务之急。锂离子电池因具有环保、轻便、高容量、长寿命等优点而得到了广泛的应用。目前商业化的石墨材料较低的理论比容量而限制了其电化学性能的提高。而新型碳材料——碳纳米纤维具有较高的导电性、大的比表面积等优点,作为锂离子电池负极材料时能够表现出的潜在应用价值。除此之外,低成本的过渡金属氧化物和硫化物因具有较高的理论比容量和绿色无污染等优点,也得到了科研工作者的广泛关注。但它们由于充放电前后体积膨胀和可逆容量的快速衰减等因素而在储能材料中的应用得到了制约。基于此,本文主要采用简单的水热合成法设计新型纳米结构的碳纳米纤维、钴酸铜空心微球和尺寸均一的硫化铼层状纳米球,并对其电化学性能及应用进行研究。具体内容如下:1.多孔空心结构的碳纳米纤维电化学性能的研究及其应用以多壁碳纳米管为支架、蔗糖为碳源,通过水热合成法成功制备了可调控壳层厚度在2.5-13.5 nm之间的多孔空心碳纳米纤维。采用X射线衍射、拉曼光谱、高分辨电子显微镜和氮吸附脱附测试等测试对所合成的碳纳米纤维进行成分、表面化学键和微观结构进行表征测试。结果表明:当作为锂离子电池负极材料时,壳层厚度和孔结构等微观结构对锂存储性能有一定的影响。蔗糖添加量为0.25 g得到的碳纳米纤维在电流密度为0.05 A g~(-1)循环50圈时表现出297.3 mA h g~(-1)的放电比容量,高于多壁碳纳米管相同条件下215.8 mA h g~(-1)的放电比容量。由此可见,多孔空心碳纳米纤维表现出增强的可逆容量、循环稳定性和倍率性能。2.钴酸铜空心微球电化学性能的研究及其应用利用自模板的溶剂热法和随后的退火过程成功制备了尖晶石Cu_xCo_(3-x)O_4(x≤0.30)空心微球。扫描电子显微图片和透射电子显微图片表明:所制备的空心微球的平均直径约为450 nm,且拥有平均厚度约为50 nm的紧致的多晶壳层。作为锂离子电池负极材料时,Cu_xCo_(3-x)O_4空心微球表现出高的锂离子存储能力,这主要依赖于Cu_xCo_(3-x)O_4中间体的退火温度。结果表明:400 ~oC退火得到的Cu_xCo_(3-x)O_4空心微球在电流密度为100 mA g~(-1)循环50圈后仍能保持1187 mA h g~(-1)的可逆放电容量。如此优秀的锂电存储能力主要来自于其壳层特殊的微观结构。空心微球的壳层由高度紧密连接的细小纳米颗粒所组成,能够有效提高导电性。3.尺寸均一的硫化铼高级纳米球电化学性能的研究及其应用采用简单的水热合成法将层间距扩张的纳米片组装制备了层间距均匀的ReS_2纳米球。在纳米球中,卷曲的纳米片中存在许多大孔。二维扩张的层间距能够帮助储存更多的锂离子且能够固定锂离子的传输,而且三维层状纳米球中的空隙有利于缓冲锂离子嵌入或脱嵌过程中的体积膨胀并保护电极的完整性。当作为锂离子电池负极材料时,与ReS_2纳米颗粒相比(相同条件下的可逆容量为458 mAh g~(-1),容量保持率进为75%),独特的ReS_2纳米球在电流密度为100 mA g~(-1)循环100次时仍能保持1011 mA h g~(-1)的可逆比容量,其容量保持超过了100%。相对较高的可逆容量说明层间距均匀得ReS_2纳米球具有高性能的锂电存储能力。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1;TM912
【部分图文】：

图 1.1 锂离子电池工作原理Fig 1.1 Work principle of lithium ion batteries的特点、镍氢等其它类型的二次电池相比，锂离子电池具有许目前商业化的电池中，锂电池的比容量可以达到 372 m 2-3 倍，镍铬电池的 3-4 倍。。商业化锂离子电池的工作电压为 3.6 V，而镍铬、镍只有 1.2 V。。锂离子电池一般可以循环 600~1000 次，正极材料为至可以达到 2000 次以上。。锂离子电池反应过程中以锂离子的形态存在，消除了问题。。锂离子电池在 1 C 充电 30 min 时，容量能够达到标

图 1.2 MS2的组成结构示意图Fig 1.2 Structure diagram of MS2材料的概述表面积大，能够提供更多的活性位点，减小离子的比，纳米材料大的比表面积能够增加活性物质与极的极化程度和体积膨胀，进而提高电池的循环料料主要包括：多孔结构[46]、一维[47]、二维[48]和纳米管以及碳纳米纤维等的一维碳纳米材料不仅表面官能团的分布上也有所不同。这种独特结构比表面积，还能够提供较多的孔结构和较优的电得到一定程度的改善。如已经成功合成的单壁碳量分别达到 400 mAh g-1和 500 mAh g-1。

第一章 绪论保持在1048.8 mAh g-1。Sagar Mitra等[58]制备了二维结构的M，MoS2纳米墙在电流密度 100 mAg-1循环 50 圈后表现出高达。在电流密度分别为 500和1000 mAg-1循环 50圈后能够表现逆比容量，显示出突出的倍率性。由此可见，通过简单的水负极材料具有以下优点：（1）具备较大的比表面积，可以增，进而使更多的活性物质参与电极反应；（2）能够缩短锂离子环稳定性和倍率性能；（3）可以控制合成不同形貌结构材料
【参考文献】

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本文编号：2865054