钒基材料的制备及其在锂/钠电池中的应用
发布时间：2021-06-06 19:23
钒基材料因其无污染、成本低、能量密度高、可快速充放电等优点在储能领域受到了人们的广泛关注。同时,钒元素丰富的价态有助于实现多电子电化学反应,进而可提供更高的理论比容量。但是钒基材料在长期反复的锂化、钠化以及去锂化、去钠化过程中会发生严重的体积膨胀并导致材料结构坍塌,形成不稳定的固体电解质界面膜,使电极材料结构遭到严重破坏,容量大大衰减。大量研究表明:将材料纳米化、调控形成中空结构以及将材料与碳进行复合等能有效缓解充放电过程中的材料的体积膨胀问题,从而获得稳定的循环性能。本论文选择钒基负极材料作为研究方向,通过合理的结构设计,制备了导电碳纳米纤维限域的三氧化二钒纳米粒子（V2O3@MCNFs）、含氮的空心球碳壳限域的氮化钒量子点（VNQD@NC HSs）两种材料。得益于其独特的结构,上述两种材料均表现出良好的充放电倍率性能和循环性能。论文具体研究内容如下:（1）通过静电纺丝技术,合成了三氧化二钒纳米粒子被限域在多通道碳纳米纤维结构中的材料（V2O3@MCNFs）。多通道的N掺杂碳纳米纤维改善了材料的导...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池充放电示意图
钒基材料的制备及其在锂/钠电中的应用4用，钠离子从正极经过电解液嵌入到负极材料中，电子在外部电路中由正极传递至负极，完成充电过程中电能向化学能的转换；放电时，钠离子从负极材料中脱出迁移至电池正极，而电子则经外电路由负极迁移至电池正极，完成一次放电过程和化学能向电能的转换。图1.2钠离子电池充放电机理图。1.3锂离子电池负极材料1.3.1碳基负极材料碳基纳米材料具有资源丰富、导电性好、易于设计等优势，被认为是最具应用前景的锂离子电池负极材料。研究表明碳基材料显示出优异的锂存储性能，一些碳基材料，例如一维碳纤维、二维石墨烯层和三维有序分层多孔的结构利于电子传输和渗透，提供短的离子/电子扩散长度，具有高效的电极/电解质相互作用，在测试中表现出优异的电化学性能。更为重要的是，碳基纳米材料的低密度和柔韧性有利于建立柔韧性好、能量密度高且重量轻的异型电池。基于上述优势，石墨或石墨烯基多孔材料等碳基材料成为最常用的商用锂离子电池负极材料。在所有有关商业锂离子电池负极材料的研究中，碳基材料无疑是最成功的。1.3.1.1碳纳米管（CNT）自从1991年发现碳纳米管以来，激发了各种碳纳米管和改性碳纳米管及其应用领域的发展[19]。CNT由卷曲的石墨烯片组成，纳米管晶格中的一部分由牢固的C-C共价键构成（如在石墨平面中那样）。沿管轴的晶格上的原子数和闭合拓扑使纳米管具有面
济南大学硕士学位论文5内石墨的特性，可以有效提高电导率。同时碳纳米管还具有优异的机械强度，刚度。其化学性质的特异性，尤其是惰性，使其在储能领域得到了极大的发展。根据碳纳米管的石墨化程度和构型可以将其进行分类。首先，根据石墨化的程度，碳纳米管可以被分为非晶态和石墨态。其次，根据结构的不同，它们可以分为单壁（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。为了研究碳纳米管的电化学性质，对这两种碳纳米管的储锂性能进行了广泛的研究，并且发现材料中锂的嵌入/脱嵌取决于碳纳米管的形态和结构。单壁碳纳米管的平均直径在1-2nm范围内，长度为几微米，比表面积也更高，能达到2630m2g-1。当前，用石墨烯作为负极的锂离子电池可以运行超过80个循环后仍可保留165mAhg-1的容量，能量密度约为190Whkg-1，如图1.3所示[20]。图1.3石墨烯/磷酸铁锂锂离子电池的电化学测试。（a）石墨烯/磷酸铁锂锂离子电池的示意图。（b）单电极的充放电电压曲线。（c）石墨烯/LiFePO4全电池的充放电曲线。（d）石墨烯/LiFePO4全电池的循环性能图而石墨片卷曲后即可以形成单臂或多壁碳纳米管[21,22]。MWCNT具有良好的导电性，所以表现出比石墨更高的容量。经过设计具有独特排布结构的MWCNT的锂存储量是980mAhg-1，这比普通MWCNT的比容量高出几倍（158mAhg-1）。10个循环后，两种MWCNT均观察到容量损失，但与定向排列的MWCNT相比，没有进行定向排列的MWCNT的容量衰减更加迅速。SWCNT的可逆锂容量约为460mAhg-1，高于石墨
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热法制备多孔V2O3/碳复合材料用于高性能锂离子电池和钠离子电池的研究（英文）[J]. 安欣欣,杨岵林,王亚平,唐艳,梁叔全,潘安强,曹国忠. Science China Materials. 2017(08)
[2]钠离子电池正极材料研究进展[J]. 方永进,陈重学,艾新平,杨汉西,曹余良. 物理化学学报. 2017(01)
[3]钠离子电池关键材料研究及应用进展[J]. 刘永畅,陈程成,张宁,王刘彬,向兴德,陈军. 电化学. 2016(05)
[4]钠离子储能电池关键材料[J]. 金翼,孙信,余彦,丁楚雄,陈春华,官亦标. 化学进展. 2014(04)
[5]钠离子电池负极材料[J]. 何菡娜,王海燕,唐有根,刘又年. 化学进展. 2014(04)
[6]废旧锂离子电池正极活性材料的焙烧及其浸出[J]. 潘晓勇,彭玲,卢潇,陈伟华,陈正,王婕,乔君喜. 广州化工. 2014(07)
[7]论低碳经济与循环经济的异同及整合[J]. 韩宝华,李光. 云南社会科学. 2011(02)
[8]锂离子电池纳微结构电极材料系列研究[J]. 郭玉国,王忠丽,吴兴隆,张伟明,万立骏. 电化学. 2010(02)
[9]太阳能光伏电池综述[J]. 成志秀,王晓丽. 信息记录材料. 2007(02)
[10]软包装锂离子电池性能研究[J]. 薛建军,唐致远,荣强. 天津大学学报. 2004(07)
硕士论文
[1]锂/钠电池碳基负极材料制备及电化学性能研究[D]. 鲁鹏.合肥工业大学 2018
[2]基于铝负极新型储能器件的制备及性能研究[D]. 张松全.重庆理工大学 2018
本文编号：3214993
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池充放电示意图
钒基材料的制备及其在锂/钠电中的应用4用，钠离子从正极经过电解液嵌入到负极材料中，电子在外部电路中由正极传递至负极，完成充电过程中电能向化学能的转换；放电时，钠离子从负极材料中脱出迁移至电池正极，而电子则经外电路由负极迁移至电池正极，完成一次放电过程和化学能向电能的转换。图1.2钠离子电池充放电机理图。1.3锂离子电池负极材料1.3.1碳基负极材料碳基纳米材料具有资源丰富、导电性好、易于设计等优势，被认为是最具应用前景的锂离子电池负极材料。研究表明碳基材料显示出优异的锂存储性能，一些碳基材料，例如一维碳纤维、二维石墨烯层和三维有序分层多孔的结构利于电子传输和渗透，提供短的离子/电子扩散长度，具有高效的电极/电解质相互作用，在测试中表现出优异的电化学性能。更为重要的是，碳基纳米材料的低密度和柔韧性有利于建立柔韧性好、能量密度高且重量轻的异型电池。基于上述优势，石墨或石墨烯基多孔材料等碳基材料成为最常用的商用锂离子电池负极材料。在所有有关商业锂离子电池负极材料的研究中，碳基材料无疑是最成功的。1.3.1.1碳纳米管（CNT）自从1991年发现碳纳米管以来，激发了各种碳纳米管和改性碳纳米管及其应用领域的发展[19]。CNT由卷曲的石墨烯片组成，纳米管晶格中的一部分由牢固的C-C共价键构成（如在石墨平面中那样）。沿管轴的晶格上的原子数和闭合拓扑使纳米管具有面
济南大学硕士学位论文5内石墨的特性，可以有效提高电导率。同时碳纳米管还具有优异的机械强度，刚度。其化学性质的特异性，尤其是惰性，使其在储能领域得到了极大的发展。根据碳纳米管的石墨化程度和构型可以将其进行分类。首先，根据石墨化的程度，碳纳米管可以被分为非晶态和石墨态。其次，根据结构的不同，它们可以分为单壁（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。为了研究碳纳米管的电化学性质，对这两种碳纳米管的储锂性能进行了广泛的研究，并且发现材料中锂的嵌入/脱嵌取决于碳纳米管的形态和结构。单壁碳纳米管的平均直径在1-2nm范围内，长度为几微米，比表面积也更高，能达到2630m2g-1。当前，用石墨烯作为负极的锂离子电池可以运行超过80个循环后仍可保留165mAhg-1的容量，能量密度约为190Whkg-1，如图1.3所示[20]。图1.3石墨烯/磷酸铁锂锂离子电池的电化学测试。（a）石墨烯/磷酸铁锂锂离子电池的示意图。（b）单电极的充放电电压曲线。（c）石墨烯/LiFePO4全电池的充放电曲线。（d）石墨烯/LiFePO4全电池的循环性能图而石墨片卷曲后即可以形成单臂或多壁碳纳米管[21,22]。MWCNT具有良好的导电性，所以表现出比石墨更高的容量。经过设计具有独特排布结构的MWCNT的锂存储量是980mAhg-1，这比普通MWCNT的比容量高出几倍（158mAhg-1）。10个循环后，两种MWCNT均观察到容量损失，但与定向排列的MWCNT相比，没有进行定向排列的MWCNT的容量衰减更加迅速。SWCNT的可逆锂容量约为460mAhg-1，高于石墨
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热法制备多孔V2O3/碳复合材料用于高性能锂离子电池和钠离子电池的研究（英文）[J]. 安欣欣,杨岵林,王亚平,唐艳,梁叔全,潘安强,曹国忠. Science China Materials. 2017(08)
[2]钠离子电池正极材料研究进展[J]. 方永进,陈重学,艾新平,杨汉西,曹余良. 物理化学学报. 2017(01)
[3]钠离子电池关键材料研究及应用进展[J]. 刘永畅,陈程成,张宁,王刘彬,向兴德,陈军. 电化学. 2016(05)
[4]钠离子储能电池关键材料[J]. 金翼,孙信,余彦,丁楚雄,陈春华,官亦标. 化学进展. 2014(04)
[5]钠离子电池负极材料[J]. 何菡娜,王海燕,唐有根,刘又年. 化学进展. 2014(04)
[6]废旧锂离子电池正极活性材料的焙烧及其浸出[J]. 潘晓勇,彭玲,卢潇,陈伟华,陈正,王婕,乔君喜. 广州化工. 2014(07)
[7]论低碳经济与循环经济的异同及整合[J]. 韩宝华,李光. 云南社会科学. 2011(02)
[8]锂离子电池纳微结构电极材料系列研究[J]. 郭玉国,王忠丽,吴兴隆,张伟明,万立骏. 电化学. 2010(02)
[9]太阳能光伏电池综述[J]. 成志秀,王晓丽. 信息记录材料. 2007(02)
[10]软包装锂离子电池性能研究[J]. 薛建军,唐致远,荣强. 天津大学学报. 2004(07)
硕士论文
[1]锂/钠电池碳基负极材料制备及电化学性能研究[D]. 鲁鹏.合肥工业大学 2018
[2]基于铝负极新型储能器件的制备及性能研究[D]. 张松全.重庆理工大学 2018
本文编号：3214993
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