氮掺杂碳材料复合铁的化合物锂离子电池负极材料的制备及性能研究
发布时间：2021-11-21 02:54
锂离子电池由于具有高功率和高能量密度,受到人们的广泛关注和使用,随着市场需求量增大,对电池的性能要求也越来越高。电池的负极材料是决定电池的性能的关键部分,因此研发低成本、高性能的负极材料也越来越重要。过渡金属Fe元素由于最外层d轨道电子未完全填充,当其与非金属元素O、N、C等结合时,发生还原反应可呈现多种价态,从而可有效储存能量。因此铁的化合物是极具潜力的负极材料,铁的氧化物、氮化物、和碳化物由于储量高、成本低、易制备且具有优异的电化学性能,因此在锂离子电池负极材料的研发中备受关注。但同时也存在诸多问题,比如导电性较差,充放电循环过程中易发生体积变化等,为了改善这些问题,本文中将其与碳材料进行复合,分别研究了碳材料复合氧化亚铁、碳材料复合氮化铁、碳材料复合碳化铁负极材料的结构及电化学性能,具体的研究内容如下:（1）以液态聚丙烯腈（LPAN）和氧化铁为原料,通过球磨、预氧化和热处理等过程制备出FeO/Fe@C的复合物,分别研究了在热处理温度450℃、550℃、650℃、750℃、850℃以及热处理保温时间为2 h、4 h、6 h复合物的结构及电化学性能,得出最佳热处理温度为850℃,最佳...
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LiCoO2的晶体结构图[17]
氮掺杂碳材料复合铁的化合物锂离子电池负极材料的制备及性能研究11要远高于石墨，但是在充放电过程中体积容易发生变化造成结构塌陷[34]，且充放电效率比较低，因此研究者们将其与碳材料（比如石墨、石墨烯等）进行复合，利用优势互补效应，有的文献报道中容量已经可以做到1000mAh/g以上[35]。氮化铁和碳化铁因为与锂离子可形成氮化锂与碳化锂，并且N-Li和C-Li结合没有O-Li那么牢固，结合的锂较易释放，并且在充放电过程中体积变化不大[36]。1.4.1石墨烯简介石墨烯自从发现以来，备受人们青睐，因为它有自己独特的性能。它的结构如图2所示，每个碳原子与周围3个碳原子以SP2杂化，每六个碳原子连接成环，形成二维平面结构，而它的独特性在于它是单层的，可通过翘曲变成零维的富勒烯结构，也可卷曲为一维的碳纳米管结构，还可堆叠为三维的石墨结构[37]。单层石墨烯的比表面积高达2600m2/g，而厚度仅有0.334nm。并且由于每个碳原子上均由一个未成键的P轨道电子，就在两侧形成了流动性较好的大π键电子，具有高导电率，可达2.02*104S/m[38]。石墨烯的强度性能也很突出，测得杨氏模量为0.25TPa，远远高于钢和钻石[39]。石墨烯的这些优良性能为锂离子电池负极材料的一些缺陷（比如体积膨胀、导电性差等）提供了优势，所以是负极材料常用的复合材料[40]。图1-3石墨烯结构图[38]Fig1-3Schematicofgraphemestructure[38].1.4.2碳材料复合铁的氧化物负极材料的制备及研究现状随着电动汽车和各种电子设备的广泛应用，电池也发挥着越来越重要的作用，其中锂离子电池也在市场中脱颖而出，但是也提出了更高的要求，需要电池具有更高的充放电比容量，更好的循环稳定性，以及更优异的倍率性能[41]。而负极材料是决定电池容量
氮掺杂碳材料复合铁的化合物锂离子电池负极材料的制备及性能研究24气气氛下的热处理（650℃~850℃），制备出氧化亚铁与类石墨烯结构的复合物，再通过柠檬酸和盐酸优化处理，使得结构和性能进一步提升。3.2以LPAN为原料制备的含氮石墨烯形貌及结构表征本章节中所用氮掺杂碳材料是由液态聚丙烯腈低聚物（LPAN）经过低温预氧化（一般为220℃），再于氩气气氛中经过不同温度热处理得到的。不同处理温度可得到不同交联程度的类石墨烯结构，当处理温度较低时，我们简称为氮掺杂碳材料，当处理温度升到2600~3000℃时可得到性能优异的含氮石墨烯结构，它在扫描电子显微镜下（SEM）形貌如图3.1所示。从图3-1（a,b）可看出，石墨烯的边缘呈现褶皱卷曲的状态，呈片状铺展开来。图3-1（c.d）则可看出石墨烯的的立体片层结构，从剖面的角度呈现出多层的片状，它们相互叠加，在1万倍的当大倍率下看着似乎有点堆叠在一起，而放大到5万倍时则能看出层与层之间是有间隔的。图3-1以LPAN为原料制备的含氮石墨烯的SEM图Fig3-1SEMimagesofN-graphemefabricatedbyLPANprecursor除了做形态上的分析，我们还对石墨烯做了拉曼光谱表征，这种分析手段一般用于非极性材料，很适合用来表征碳材料。如图3-2（a），从石墨烯拉曼光谱图上我们可以
本文编号：3508623
【文章来源】：深圳大学广东省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
LiCoO2的晶体结构图[17]
氮掺杂碳材料复合铁的化合物锂离子电池负极材料的制备及性能研究11要远高于石墨，但是在充放电过程中体积容易发生变化造成结构塌陷[34]，且充放电效率比较低，因此研究者们将其与碳材料（比如石墨、石墨烯等）进行复合，利用优势互补效应，有的文献报道中容量已经可以做到1000mAh/g以上[35]。氮化铁和碳化铁因为与锂离子可形成氮化锂与碳化锂，并且N-Li和C-Li结合没有O-Li那么牢固，结合的锂较易释放，并且在充放电过程中体积变化不大[36]。1.4.1石墨烯简介石墨烯自从发现以来，备受人们青睐，因为它有自己独特的性能。它的结构如图2所示，每个碳原子与周围3个碳原子以SP2杂化，每六个碳原子连接成环，形成二维平面结构，而它的独特性在于它是单层的，可通过翘曲变成零维的富勒烯结构，也可卷曲为一维的碳纳米管结构，还可堆叠为三维的石墨结构[37]。单层石墨烯的比表面积高达2600m2/g，而厚度仅有0.334nm。并且由于每个碳原子上均由一个未成键的P轨道电子，就在两侧形成了流动性较好的大π键电子，具有高导电率，可达2.02*104S/m[38]。石墨烯的强度性能也很突出，测得杨氏模量为0.25TPa，远远高于钢和钻石[39]。石墨烯的这些优良性能为锂离子电池负极材料的一些缺陷（比如体积膨胀、导电性差等）提供了优势，所以是负极材料常用的复合材料[40]。图1-3石墨烯结构图[38]Fig1-3Schematicofgraphemestructure[38].1.4.2碳材料复合铁的氧化物负极材料的制备及研究现状随着电动汽车和各种电子设备的广泛应用，电池也发挥着越来越重要的作用，其中锂离子电池也在市场中脱颖而出，但是也提出了更高的要求，需要电池具有更高的充放电比容量，更好的循环稳定性，以及更优异的倍率性能[41]。而负极材料是决定电池容量
氮掺杂碳材料复合铁的化合物锂离子电池负极材料的制备及性能研究24气气氛下的热处理（650℃~850℃），制备出氧化亚铁与类石墨烯结构的复合物，再通过柠檬酸和盐酸优化处理，使得结构和性能进一步提升。3.2以LPAN为原料制备的含氮石墨烯形貌及结构表征本章节中所用氮掺杂碳材料是由液态聚丙烯腈低聚物（LPAN）经过低温预氧化（一般为220℃），再于氩气气氛中经过不同温度热处理得到的。不同处理温度可得到不同交联程度的类石墨烯结构，当处理温度较低时，我们简称为氮掺杂碳材料，当处理温度升到2600~3000℃时可得到性能优异的含氮石墨烯结构，它在扫描电子显微镜下（SEM）形貌如图3.1所示。从图3-1（a,b）可看出，石墨烯的边缘呈现褶皱卷曲的状态，呈片状铺展开来。图3-1（c.d）则可看出石墨烯的的立体片层结构，从剖面的角度呈现出多层的片状，它们相互叠加，在1万倍的当大倍率下看着似乎有点堆叠在一起，而放大到5万倍时则能看出层与层之间是有间隔的。图3-1以LPAN为原料制备的含氮石墨烯的SEM图Fig3-1SEMimagesofN-graphemefabricatedbyLPANprecursor除了做形态上的分析，我们还对石墨烯做了拉曼光谱表征，这种分析手段一般用于非极性材料，很适合用来表征碳材料。如图3-2（a），从石墨烯拉曼光谱图上我们可以
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