M x O y @C/rGO（M=Sn,Fe,Ni）复合材料的制备及电化学性能
发布时间：2021-08-11 20:40
锂离子电池作为一种能量密度高、绿色环保的储能器件已广泛地应用于电动汽车及便携式电子产品等领域。然而,作为当前商品电池的负极的石墨材料因其较低的比容量难以满足日渐提高的发展要求。过渡金属氧化物Mx Oy（M=Sn,Fe,Ni）具有更高的理论容量但受制于充放电过程中体积膨胀及导电性差等问题。颗粒纳米化作为通常的应对措施则产生了新的次生问题如首圈效率降低,制备方法复杂等。在此提出了碳包覆超小氧化物与还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide,rGO）复合的结构Mx Oy@C/rGO（M=Sn,Fe,Ni）,并通过离子渗入金属-有机框架后快速微波加热的方法完成了制备,有效地解决上述问题。SnO2@C/rGO的制备研究表明,以多孔的金属-有机框架（metal-organic framework,MOF）材料ZIF-8作为渗入对象,渗入时的溶质-溶剂体系和后续微波工艺参数的选择对材料合成有重要影响。确定了SnCl2-NMP的渗入体系,以rGO为吸波助剂并短时间微波3 s的工艺。最终得到了无定形碳包覆5 nm超小SnO2
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同种类电池在能量密度上的对比[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-锂离子电池的构成及工作原理如图1-2所示。正负极、电解液、隔膜、外壳是构成锂离子电池主要组成部分。图中隔膜(separator)左边的可以是锰酸锂或钴酸锂这样的提供锂离子通道的正极材料，右边的是如石墨等有容纳锂离子的空间的负极材料。以吉野彰得到的LiCoO2/C为典型样例来描述电池正负极所发生的电化学反应，其反应方程式如下：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xe-+xLi+(1-1)负极反应：C6+xe-+xLi+LixC6(1-2)式(1-1)和(1-2)均为反应正向为放电、逆向为充电。由此可知，在放电过程中，锂离子和电子分别从内电路和外电路由正极转移至负极，在充电过程中则两者反向移动。无论电池中的粒子向何处运动，目标都是降低其电化学势，最终达到一个能量更低的相对稳定的状态。不断地充电放电，使得电池不停地进行着电能与化学能的转换，其中涉及着诸多复杂的过程，如相变、电荷转移以及离子的扩散。为了能够有效地完成这些过程，需要选择合适的材料作为电池的组成部分。图1-2锂离子电池的组成及原理示意图[3]正极材料除了上述的钴酸锂，还有锰酸锂和磷酸铁锂等等。将钴元素替换成锰元素，获得的锂锰氧化物常见有尖晶石结构(LiMn2O4)与层状结构(LiMnO2)两种。层状锰酸锂的理论比容量为285mAhg-1，高于尖晶石结构的148mAhg-1，但由于层状锰酸锂稳定性较差，往往实际中选择尖晶石结构的锰酸锂。磷酸铁锂拥有
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-图1-3正负极材料的对锂电势及比容量[2]1.2.2锂离子电池负极材料简介负极材料作为锂离子电池四大材料之一，具有不可替代的地位[11]。由于不需要作为电池中的锂源，所以无需像正极材料那样必须要含有锂元素，由此材料的成分种类相当丰富。一般而言，从材料的储锂机制上将锂离子电池负极材料分为以下的三大类：(1)插入型负极包括碳基材料诸如硬碳、碳纳米管、石墨烯等，以及钛基氧化物如TiO2、Li4Ti5O12(LTO)。插入型负极材料的机理是，材料中存在容纳锂离子的空隙，从而锂离子可以在材料表面嵌入或脱出，由此可以满足锂离子电池充放电的基本原理。最开始使用的天然石墨材料，理论容量为372mAhg-1，直接开采出来的石墨材料存在一定的杂质，如鳞片石墨需要进一步的选矿富集。天然石墨的优点在于造价低，充放电平台明显，但也有着与电解液相容性差，容量较低的问题。此外其对锂电势较低，由此产生了一个新的问题，那就是在低电位下会导致锂枝晶的产生，进而刺穿隔膜使正负极短路造成危险[12]。人造石墨由石油沥青、煤沥青、石油焦等经过液相炭化得到，但石墨化需要达到2500oC，这产生了新的能耗。石墨烯材料能够表现出较高的比容量，但机理上仍有争议且造价较高[13]。钛基则具有长寿命的特点，但理论比容量不高。(2)合金型负极包括Si、SiO、Ge、Sn等。合金型负极的机理是，金属锂可以与其他金属形成合金，且合金与单质之间的转换是可逆的。其中，Si具有已知材料中最高的理论比容量，在认为反应产物为Li22Si5的情况下由式(1-5)可计算得约为4200mAhg-1。然而此类电极在合金-单质的转换过程中，体积变化较大，反复充放电最终导致活性物质破碎，因而不可逆容量逐步增大。其改善仍有待后续研究。单
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池纳米硅碳负极材料研发进展[J]. 陆浩,李金熠,刘柏男,褚赓,徐泉,李阁,罗飞,郑杰允,殷雅侠,郭玉国,李泓. 储能科学与技术. 2017(05)
本文编号：3336856
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：113 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同种类电池在能量密度上的对比[2]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-锂离子电池的构成及工作原理如图1-2所示。正负极、电解液、隔膜、外壳是构成锂离子电池主要组成部分。图中隔膜(separator)左边的可以是锰酸锂或钴酸锂这样的提供锂离子通道的正极材料，右边的是如石墨等有容纳锂离子的空间的负极材料。以吉野彰得到的LiCoO2/C为典型样例来描述电池正负极所发生的电化学反应，其反应方程式如下：正极反应：LiCoO2Li1-xCoO2+xe-+xLi+(1-1)负极反应：C6+xe-+xLi+LixC6(1-2)式(1-1)和(1-2)均为反应正向为放电、逆向为充电。由此可知，在放电过程中，锂离子和电子分别从内电路和外电路由正极转移至负极，在充电过程中则两者反向移动。无论电池中的粒子向何处运动，目标都是降低其电化学势，最终达到一个能量更低的相对稳定的状态。不断地充电放电，使得电池不停地进行着电能与化学能的转换，其中涉及着诸多复杂的过程，如相变、电荷转移以及离子的扩散。为了能够有效地完成这些过程，需要选择合适的材料作为电池的组成部分。图1-2锂离子电池的组成及原理示意图[3]正极材料除了上述的钴酸锂，还有锰酸锂和磷酸铁锂等等。将钴元素替换成锰元素，获得的锂锰氧化物常见有尖晶石结构(LiMn2O4)与层状结构(LiMnO2)两种。层状锰酸锂的理论比容量为285mAhg-1，高于尖晶石结构的148mAhg-1，但由于层状锰酸锂稳定性较差，往往实际中选择尖晶石结构的锰酸锂。磷酸铁锂拥有
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-图1-3正负极材料的对锂电势及比容量[2]1.2.2锂离子电池负极材料简介负极材料作为锂离子电池四大材料之一，具有不可替代的地位[11]。由于不需要作为电池中的锂源，所以无需像正极材料那样必须要含有锂元素，由此材料的成分种类相当丰富。一般而言，从材料的储锂机制上将锂离子电池负极材料分为以下的三大类：(1)插入型负极包括碳基材料诸如硬碳、碳纳米管、石墨烯等，以及钛基氧化物如TiO2、Li4Ti5O12(LTO)。插入型负极材料的机理是，材料中存在容纳锂离子的空隙，从而锂离子可以在材料表面嵌入或脱出，由此可以满足锂离子电池充放电的基本原理。最开始使用的天然石墨材料，理论容量为372mAhg-1，直接开采出来的石墨材料存在一定的杂质，如鳞片石墨需要进一步的选矿富集。天然石墨的优点在于造价低，充放电平台明显，但也有着与电解液相容性差，容量较低的问题。此外其对锂电势较低，由此产生了一个新的问题，那就是在低电位下会导致锂枝晶的产生，进而刺穿隔膜使正负极短路造成危险[12]。人造石墨由石油沥青、煤沥青、石油焦等经过液相炭化得到，但石墨化需要达到2500oC，这产生了新的能耗。石墨烯材料能够表现出较高的比容量，但机理上仍有争议且造价较高[13]。钛基则具有长寿命的特点，但理论比容量不高。(2)合金型负极包括Si、SiO、Ge、Sn等。合金型负极的机理是，金属锂可以与其他金属形成合金，且合金与单质之间的转换是可逆的。其中，Si具有已知材料中最高的理论比容量，在认为反应产物为Li22Si5的情况下由式(1-5)可计算得约为4200mAhg-1。然而此类电极在合金-单质的转换过程中，体积变化较大，反复充放电最终导致活性物质破碎，因而不可逆容量逐步增大。其改善仍有待后续研究。单
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池纳米硅碳负极材料研发进展[J]. 陆浩,李金熠,刘柏男,褚赓,徐泉,李阁,罗飞,郑杰允,殷雅侠,郭玉国,李泓. 储能科学与技术. 2017(05)
本文编号：3336856
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3336856.html
