铁钛双金属氧化物的制备、微观结构及其储锂性能研究
发布时间：2021-06-14 13:53
随着社会的发展,人们对能源的需求与日俱增。传统能源因储量有限且易造成环境污染,正在逐步被其它清洁能源替代。锂离子电池以其能量密度大、绿色环保等优点从众多新型能源中脱颖而出。负极材料是锂离子电池的重要组成部分,在很大程度上决定了电池的整体性能。然而,传统的商用锂离子电池负极材料受制于其理论比容量低的缺点,越来越无法满足当今的使用需求。金属氧化物作为一类新型锂离子电池负极材料,因其具有许多优点而备受关注。然而,这类材料在充放电过程中存在循环稳定性差和导电性差的问题。因此,构筑高性能的金属氧化物负极材料对锂离子电池的应用发展具有重要意义。本论文主要对Fe2TiO5材料的组成、微观结构以及稳定性进行了研究,并且探究了其电化学性能和储锂机制。（1）利用溶剂热法,制备出了 Fe2TiO5纳米颗粒、Fe2TiO5/TiO2和Fe2TiO5/Fe2O3混合物,探究不同组成对锂离子电池的电化学性能影响。研究发现,在100 mA g-1的电流密度下,循环200次后,Fe2TiO5纳米颗粒的可逆比容量为810.4 mAh g-1,高于 Fe2TiO5/TiO2（340.8 mAh g-1）和 Fe2TiO5...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理示意图[13]
缑婺ぃ?（5）锂离子能够快速的扩散，从而提升电池的快速充放电能力；（6）所制备的电池能够安全使用，不易出现燃烧、爆炸等危险；（7）材料储量丰富、成本低、制备工艺简单、环境污染校目前，锂离子电池负极材料主要分类有：（1）以插入反应机制为主的材料：碳材料、TiO2以及Li4Ti5O12等。碳材料由于稳定性好、储量丰富以及在作为锂离子电池负极材料时表现出优异的性能而被认为是最适合作锂离子电池的负极材料。碳材料的结构主要有两种，一种是具有三维有序晶体结构的石墨，另一种是由石墨晶片无规堆积形成的无定形碳。图1.2是石墨和无定形碳的结构图[17]。作为负极材料，石墨化碳材料具有结晶度高、导电性好的特点，并且碳材料在使用中嵌锂电位低于0.25V（相对于Li/Li+电位），能够为锂离子电池的使用提供高而平稳的工作电压[18-20]。图1.2石墨和无定形碳的结构示意图[17]。目前石墨化碳材料的应用在商业型锂离子电池中虽占主流，不过因其对电解液敏感、与溶剂相容性差以及在电极循环中易出现晶格膨胀等问题，限制了其的进一步发展。嵌锂型金属氧化物，如Li4Ti5O12（该材料被称为“零应变”电极材料），在锂离子嵌入和脱出的过程中，只发生材料结构的变化，而不会产生其他物质。这类电极材料具有电位较低，循环稳定性好的优点，但其缺点同样明显，即理论比容量较低。（2）以锂合金化反应机制为主的锡基（Cu6Sn5、NiSn）、铝基（Al5Fe2、Al2Cu、Al4Mn）、锑基（SnSb、Cu2Sb）、硅基（SnSi、ZnSi、AgSi、Mg2Si）等材料。合金化型负极材料包括能与金属锂发生合金化反应的金属及其合金、中间相化合物及复合物。这些材料充放电的机理本质为合金化及逆合金化的反应。锂金属能与许多金属在常温下就发生反应（如Sn、Al、Sb、Zn和In等），由于这些金属
青岛大学硕士学位论文6度较大，因此合金化型负极材料的理论体积比容量较大[21,22]。例如Sn的理论比容量为994mAhg-1，Al的理论比容量为2234mAhg-1。合金化型负极材料的理论比容量通常是碳材料的2~10倍，并且其电荷密度远高于其他型负极材料。除此之外，合金化型负极材料的嵌锂电位较高，在充放电时不会产生锂枝晶，所以其使用安全。另外，合金化型负极材料还具有导电性能好、易加工以及反应时无溶剂共插入等优点。然而，在充放电时会发生的严重体积变化是阻碍合金化型负极材料推广的最大问题。目前为解决合金化型负极材料体积变化的问题，主要采取以下几种方式：其一，减小合金化型负极材料的尺寸；其二，引入非活性成分或缓冲层；其三，使用相应的金属氧化物[23-25]。（3）以转化型为主的过渡金属化合物：SnO2、Fe2O3、CoO、Zn3V3O8等。转化型材料包括过渡族金属氧化物、氮化物、磷化物、硫化物以及氟化物。这些材料通常具有较高的容量。然而在这类材料的结构中没有锂离子自由脱/嵌的通道，循环过程中能数次生成和分解Li2O以及其对应的金属单质[28,29]。过渡金属氧化物材料具有良好的可逆性，其反应机理如下[30]：MiM2ye2yLOOyLxi2yx公式1-(4)其中，M代表Mn、Fe、Cr、Co、Ni等金属元素。图1.3为转化型负极材料的反应机理示意图[2]。图1.3转化型负极材料反应机理示意图[2]。尽管过渡族金属氧化物具有比容量高、价格低廉以及产量丰富的优势，但其在应用中还存在导电性和循环稳定性较差的问题。图1.4为目前常见的锂离子电池正负极的材料及其电位和容量的比较[2]。可以看
【参考文献】：
博士论文
[1]过渡金属氧化物复合材料的制备及其锂电性能[D]. 郭诗玫.山东大学 2016
[2]高性能金属氧化物基锂离子电池负极材料的制备与电化学性能研究[D]. 袁天执.浙江大学 2016
[3]过渡金属化合物微纳结构的构筑及性能研究[D]. 王霞.北京理工大学 2015
硕士论文
[1]铁基氧化物微纳结构的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 刘欢庆.青岛大学 2019
[2]锰基双金属氧化物的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 邹佳佳.青岛大学 2019
[3]纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能的研究[D]. 王申雨.山东大学 2018
[4]金属氧化物微纳结构的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 辛拓.青岛大学 2018
[5]电子束辐照下NaCl和KCl分解过程的原位TEM研究[D]. 周建军.东南大学 2016
本文编号：3229965
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理示意图[13]
缑婺ぃ?（5）锂离子能够快速的扩散，从而提升电池的快速充放电能力；（6）所制备的电池能够安全使用，不易出现燃烧、爆炸等危险；（7）材料储量丰富、成本低、制备工艺简单、环境污染校目前，锂离子电池负极材料主要分类有：（1）以插入反应机制为主的材料：碳材料、TiO2以及Li4Ti5O12等。碳材料由于稳定性好、储量丰富以及在作为锂离子电池负极材料时表现出优异的性能而被认为是最适合作锂离子电池的负极材料。碳材料的结构主要有两种，一种是具有三维有序晶体结构的石墨，另一种是由石墨晶片无规堆积形成的无定形碳。图1.2是石墨和无定形碳的结构图[17]。作为负极材料，石墨化碳材料具有结晶度高、导电性好的特点，并且碳材料在使用中嵌锂电位低于0.25V（相对于Li/Li+电位），能够为锂离子电池的使用提供高而平稳的工作电压[18-20]。图1.2石墨和无定形碳的结构示意图[17]。目前石墨化碳材料的应用在商业型锂离子电池中虽占主流，不过因其对电解液敏感、与溶剂相容性差以及在电极循环中易出现晶格膨胀等问题，限制了其的进一步发展。嵌锂型金属氧化物，如Li4Ti5O12（该材料被称为“零应变”电极材料），在锂离子嵌入和脱出的过程中，只发生材料结构的变化，而不会产生其他物质。这类电极材料具有电位较低，循环稳定性好的优点，但其缺点同样明显，即理论比容量较低。（2）以锂合金化反应机制为主的锡基（Cu6Sn5、NiSn）、铝基（Al5Fe2、Al2Cu、Al4Mn）、锑基（SnSb、Cu2Sb）、硅基（SnSi、ZnSi、AgSi、Mg2Si）等材料。合金化型负极材料包括能与金属锂发生合金化反应的金属及其合金、中间相化合物及复合物。这些材料充放电的机理本质为合金化及逆合金化的反应。锂金属能与许多金属在常温下就发生反应（如Sn、Al、Sb、Zn和In等），由于这些金属
青岛大学硕士学位论文6度较大，因此合金化型负极材料的理论体积比容量较大[21,22]。例如Sn的理论比容量为994mAhg-1，Al的理论比容量为2234mAhg-1。合金化型负极材料的理论比容量通常是碳材料的2~10倍，并且其电荷密度远高于其他型负极材料。除此之外，合金化型负极材料的嵌锂电位较高，在充放电时不会产生锂枝晶，所以其使用安全。另外，合金化型负极材料还具有导电性能好、易加工以及反应时无溶剂共插入等优点。然而，在充放电时会发生的严重体积变化是阻碍合金化型负极材料推广的最大问题。目前为解决合金化型负极材料体积变化的问题，主要采取以下几种方式：其一，减小合金化型负极材料的尺寸；其二，引入非活性成分或缓冲层；其三，使用相应的金属氧化物[23-25]。（3）以转化型为主的过渡金属化合物：SnO2、Fe2O3、CoO、Zn3V3O8等。转化型材料包括过渡族金属氧化物、氮化物、磷化物、硫化物以及氟化物。这些材料通常具有较高的容量。然而在这类材料的结构中没有锂离子自由脱/嵌的通道，循环过程中能数次生成和分解Li2O以及其对应的金属单质[28,29]。过渡金属氧化物材料具有良好的可逆性，其反应机理如下[30]：MiM2ye2yLOOyLxi2yx公式1-(4)其中，M代表Mn、Fe、Cr、Co、Ni等金属元素。图1.3为转化型负极材料的反应机理示意图[2]。图1.3转化型负极材料反应机理示意图[2]。尽管过渡族金属氧化物具有比容量高、价格低廉以及产量丰富的优势，但其在应用中还存在导电性和循环稳定性较差的问题。图1.4为目前常见的锂离子电池正负极的材料及其电位和容量的比较[2]。可以看
【参考文献】：
博士论文
[1]过渡金属氧化物复合材料的制备及其锂电性能[D]. 郭诗玫.山东大学 2016
[2]高性能金属氧化物基锂离子电池负极材料的制备与电化学性能研究[D]. 袁天执.浙江大学 2016
[3]过渡金属化合物微纳结构的构筑及性能研究[D]. 王霞.北京理工大学 2015
硕士论文
[1]铁基氧化物微纳结构的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 刘欢庆.青岛大学 2019
[2]锰基双金属氧化物的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 邹佳佳.青岛大学 2019
[3]纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能的研究[D]. 王申雨.山东大学 2018
[4]金属氧化物微纳结构的可控制备、微观结构及其储锂性能研究[D]. 辛拓.青岛大学 2018
[5]电子束辐照下NaCl和KCl分解过程的原位TEM研究[D]. 周建军.东南大学 2016
本文编号：3229965
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