V 2 O 5 /氮掺杂石墨烯复合材料的制备及其储锂性能研究
发布时间：2021-11-24 18:09
五氧化二钒（V2O5）是一种具有层状结构的过渡金属氧化物,具有较高的嵌锂电位,用作锂离子电池正极材料时,具有比容量高、造价低的优点。但V2O5较差的离子和电子电导率会造成电池循环过程中严重的容量衰减,影响其进一步实际应用。针对上述问题,本文设计并构筑了三种不同结构的纳米V2O5/氮掺杂石墨烯复合材料。通过XRD、XPS、拉曼光谱、氮气吸脱附、SEM、TEM等结构、形貌表征,以及循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等电化学行为分析,研究其构效关系,发展高性能V2O5/氮掺杂石墨烯储锂材料。通过液相法制备V2O5·nH2O纳米线/氮掺杂石墨烯复合材料后,采用热处理工艺将V2O5·nH2O转化为正交相V2O5,得到V2O5纳米线/氮掺杂石墨烯复合材料。氮掺杂石墨烯不仅可以提高材料的电导率,还能防止纳米线结构在热处理过程中发生结构变化,提高材料的结构稳定性。上述结构特性有效提高了 V2O5的电化学性能。在100、200、500、1000和2000 mA g-1的电流密度下,V2O5纳米线/氮掺杂石墨烯复合材料的放电容量分别为273、242、206、181和161 mAh g-1。通过水热结合热处理...
【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】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
几种二次电池能量密度的对比[32]
第1章绪论-3-1.2.1锂离子电池工作原理与众多电池结构相似，锂离子电池主要由正极、负极、电解质、隔膜以及电池外壳等部分组成，通过锂离子在正负极之间的迁移实现锂离子电池的充电和放电过程。在放电过程中，锂离子从负极脱出，在电解液中迁移至正极，嵌入正极材料，电子在外电路从负极迁移至正极。在充电过程中，锂离子从正极脱出并迁移至负极，电子在外电路从正极迁移至负极[30]。可以看到，上述充放电过程是由锂离子在正负极间如同摇椅般往复迁移实现的，因此锂离子电池又被称为“摇椅电池”。以图1-2中的电池为例（正极为LiCoO2，负极为石墨），其充放电反应为：正极反应：LiCoO2xLi++xe-+Li1-xCoO2（1-1）负极反应：6C+xLi++xe-LixC6（1-2）电池反应：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6（1-3）在锂离子电池中，负极材料要求具有较低的锂脱嵌电位。除了上述石墨负极外，可以作为负极材料的还有硅（Si）、二氧化钛（TiO2）等[36,37]。对于正极材料，要求其具有比较高的电极电位，比如目前商用的钴酸锂（LiCoO2）的电极电位约为4.1V（vs.Li/Li+）。图1-2锂离子电池的工作原理示意图[30]Figure1-2Schemeoflithiumionbattery[30]1.2.2锂离子电池的特点及发展需求锂离子电池可以分为液态锂离子电池和固态锂离子电池两大类。液态锂离子电池采用液态电解质溶液，制造技术比较成熟，已经得到大规模应用。固态放电充电放电充电放电充电
第1章绪论-7-具有优异的大倍率放电性能，稳定的充放电平台和优异的循环性能。这些优点使得LiCoO2成为一种非常成功的锂离子电池正极材料，广泛应用于无人机、笔记本电脑、手机等消费电子领域[72]。不过，LiCoO2仍然面临一些问题[73,74]：第一，钴元素在地壳中的储量较低，远低于钒、锰、镍、铁等过渡金属元素，造成原材料的价格昂贵。近年来电子产品和电动汽车产量的提高，供需关系引起钴原材料价格的明显上涨，导致使用钴基正极材料的电池造价难以降低。第二，LiCoO2材料在过充电条件下会造成晶体结构内的Li+过多脱出，不可逆地生成CoO2，引起容量衰减。含有高价钴离子的CoO2还会催化电解液的分解，进一步使电池性能恶化。此外，在过度脱锂的情况下还会有单质钴析出，而单质钴可以溶解于电解液中，同样会造成电池容量的不可逆衰减。多年来，科研工作者们致力于对LiCoO2材料进行改性，以便得到更好的电化学性能。例如，采用Al元素对于LiCoO2进行掺杂制备LiAlxCo1-xO2材料可以在放电过程中更好地维持层状结构[42]。不仅如此，Al3+的掺杂可以减少电解液的分解[75]。此外，对LiCoO2进行包覆处理，同样是提高LiCoO2电化学性能的有效方法[76-79]。图1-3LiCoO2的晶体结构示意图[68]Figure1-3CrystalstructureofLiCoO2[68]总之，LiCoO2正极材料具有优异的电化学性能，其理论研究和实际应用都有了巨大进展。但是，钴资源的稀缺性使LiCoO2的生产成本难以降低。同时，考虑到钴元素具有较高的毒性，科研工作者正在积极开发新型正极材料以便替代钴基正极材料。1.3.2镍酸锂正极材料与LiCoO2相同，镍酸锂（LiNiO2）材料同样具有α-NaFeO2层状结构。相比于LiCoO2，LiNiO2的原材料储量更加丰富，价格更加低廉，同时具有环境友
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in carbon/lithium metal composite anode for safe lithium metal batteries[J]. Tao Li,He Liu,Peng Shi,Qiang Zhang. Rare Metals. 2018(06)
[2]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[3]大规模新能源电力安全高效利用基础问题[J]. 刘吉臻. 中国电机工程学报. 2013(16)
[4]锂电池发展简史[J]. 黄彦瑜. 物理. 2007(08)
[5]锂离子电池电极材料研究进展[J]. 周恒辉,慈云祥,刘昌炎. 化学进展. 1998(01)
博士论文
[1]纳米Bi2O3/C复合材料的制备及其电化学储锂性能研究[D]. 方伟.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3516502
【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】：138 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
几种二次电池能量密度的对比[32]
第1章绪论-3-1.2.1锂离子电池工作原理与众多电池结构相似，锂离子电池主要由正极、负极、电解质、隔膜以及电池外壳等部分组成，通过锂离子在正负极之间的迁移实现锂离子电池的充电和放电过程。在放电过程中，锂离子从负极脱出，在电解液中迁移至正极，嵌入正极材料，电子在外电路从负极迁移至正极。在充电过程中，锂离子从正极脱出并迁移至负极，电子在外电路从正极迁移至负极[30]。可以看到，上述充放电过程是由锂离子在正负极间如同摇椅般往复迁移实现的，因此锂离子电池又被称为“摇椅电池”。以图1-2中的电池为例（正极为LiCoO2，负极为石墨），其充放电反应为：正极反应：LiCoO2xLi++xe-+Li1-xCoO2（1-1）负极反应：6C+xLi++xe-LixC6（1-2）电池反应：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6（1-3）在锂离子电池中，负极材料要求具有较低的锂脱嵌电位。除了上述石墨负极外，可以作为负极材料的还有硅（Si）、二氧化钛（TiO2）等[36,37]。对于正极材料，要求其具有比较高的电极电位，比如目前商用的钴酸锂（LiCoO2）的电极电位约为4.1V（vs.Li/Li+）。图1-2锂离子电池的工作原理示意图[30]Figure1-2Schemeoflithiumionbattery[30]1.2.2锂离子电池的特点及发展需求锂离子电池可以分为液态锂离子电池和固态锂离子电池两大类。液态锂离子电池采用液态电解质溶液，制造技术比较成熟，已经得到大规模应用。固态放电充电放电充电放电充电
第1章绪论-7-具有优异的大倍率放电性能，稳定的充放电平台和优异的循环性能。这些优点使得LiCoO2成为一种非常成功的锂离子电池正极材料，广泛应用于无人机、笔记本电脑、手机等消费电子领域[72]。不过，LiCoO2仍然面临一些问题[73,74]：第一，钴元素在地壳中的储量较低，远低于钒、锰、镍、铁等过渡金属元素，造成原材料的价格昂贵。近年来电子产品和电动汽车产量的提高，供需关系引起钴原材料价格的明显上涨，导致使用钴基正极材料的电池造价难以降低。第二，LiCoO2材料在过充电条件下会造成晶体结构内的Li+过多脱出，不可逆地生成CoO2，引起容量衰减。含有高价钴离子的CoO2还会催化电解液的分解，进一步使电池性能恶化。此外，在过度脱锂的情况下还会有单质钴析出，而单质钴可以溶解于电解液中，同样会造成电池容量的不可逆衰减。多年来，科研工作者们致力于对LiCoO2材料进行改性，以便得到更好的电化学性能。例如，采用Al元素对于LiCoO2进行掺杂制备LiAlxCo1-xO2材料可以在放电过程中更好地维持层状结构[42]。不仅如此，Al3+的掺杂可以减少电解液的分解[75]。此外，对LiCoO2进行包覆处理，同样是提高LiCoO2电化学性能的有效方法[76-79]。图1-3LiCoO2的晶体结构示意图[68]Figure1-3CrystalstructureofLiCoO2[68]总之，LiCoO2正极材料具有优异的电化学性能，其理论研究和实际应用都有了巨大进展。但是，钴资源的稀缺性使LiCoO2的生产成本难以降低。同时，考虑到钴元素具有较高的毒性，科研工作者正在积极开发新型正极材料以便替代钴基正极材料。1.3.2镍酸锂正极材料与LiCoO2相同，镍酸锂（LiNiO2）材料同样具有α-NaFeO2层状结构。相比于LiCoO2，LiNiO2的原材料储量更加丰富，价格更加低廉，同时具有环境友
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in carbon/lithium metal composite anode for safe lithium metal batteries[J]. Tao Li,He Liu,Peng Shi,Qiang Zhang. Rare Metals. 2018(06)
[2]拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J]. 吴娟霞,徐华,张锦. 化学学报. 2014(03)
[3]大规模新能源电力安全高效利用基础问题[J]. 刘吉臻. 中国电机工程学报. 2013(16)
[4]锂电池发展简史[J]. 黄彦瑜. 物理. 2007(08)
[5]锂离子电池电极材料研究进展[J]. 周恒辉,慈云祥,刘昌炎. 化学进展. 1998(01)
博士论文
[1]纳米Bi2O3/C复合材料的制备及其电化学储锂性能研究[D]. 方伟.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3516502
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