锥形核壳阵列结构以及多孔结构作为硅基锂离子电池负极材料的研究
发布时间：2022-01-19 09:32
二十一世纪以来,科技的飞速发展给人们生活带来了便利,同时对能源的需求也不断提高,我们越来越迫切地寻求更清洁、更高效的能源来取代化石燃料。锂离子电池具有高能量密度、高能量效率、轻便、环境友好等优点,广泛地应用到便携式设备、动力汽车和微电子器件中。锂离子电池负极材料是锂离子电池最主要组成部分之一,但商业化石墨类负极的理论容量只有372 mAh g-1,无法满足动力汽车等所需的高能量密度电池的需求。当前已有的负极材料中,硅以其最高的理论容量(可达4200mAh g-1)、环境友好、地壳含量丰富、成本低廉等优势吸引了巨大的关注。当前已有大量的硅基锂离子电池材料负极的研究。但硅基负极存在最大的问题是体积膨胀效应和导电性差。在锂的嵌入脱出过程中,会导致容量衰减和初始不可逆容量,甚至是材料与集流体脱离。而Si作为半导体材料,其导电性和锂离子迁移率很低。为了解决硅基负极这两个问题,本文的主要内容包括:（1）通过简单的电沉积实验,在铜衬底上得到Ni的锥形阵列,并且通过射频溅射的方法在纳米阵列表面溅射非晶硅薄膜,最终得到Ni@Si核壳阵列结构。阵列化核壳结构的设...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理图[6]
第一章绪论11由于锂和钴的尺寸差异较大(rLi+:0.76A；rCo3+:0.545)[24,25]。当锂值x<0.5时，实际比容量会更高，但循环损耗也会增加[24]。这是由于在充放电过程中颗粒表面的变化，增加了电池阻抗和结构不稳定性。这些副反应可以通过包覆LiCoO2粒子或进行严格的热处理来改善，但循环损失使整个锂的脱插过程仍然是不可能的。LiCoO2的主要问题是成本高、热稳定性低、在高电流率或深度循环过程中容量衰减快。已有的一些方法来提高离子电导率和循环性能，如1）涂覆一层C，氧化物如Al2O3，ZnO[26]；2）掺杂铝[27]、铬[28]和银[29]。另一种层状材料是LiNiO2，它在锂离子电池中有着广泛的研究。LiNiO2最早由Dyer等人在1954年合成，在1990年代被Dahn等人[30]广泛研究作为LiCoO2的替代品。LiNiO2虽然结构接近理想，但并不是一种很有前途的商用锂离子电池正极材料。掺杂(如Mg、Al、Co、Ga等)[31-33]已被研究用于制备LiNiO2。图1.2LiCoO2的层状过渡金属锂氧化物结构(红色:氧，蓝色:钴，绿色:锂)[24]。Fig.1.2LayeredlithiumtransitionmetaloxidestructureofLiCoO2(red:oxygen,blue:cobalt,green:lithium).纯LiMnO2(LMO)被认为是LiCoO2和LiNiO2的替代品，因为它更便宜，更环保。LiMnO2是单斜结构，但其经过循环后转变为层状六边形结构[34]。虽然LiMnO2具有285mAhg-1的高理论容量和热稳定性。然而，LiMnO2的初始实际容量只有150mAhg-1左右，
和四面体位置[42]。锂的插层/脱插层是通过三维网络而不是平面来实现的，如α-NaFeO2结构。与上述其他正极材料相比，LiMn2O4成本更低、更安全、锰的自然丰度高，但理论容量较低，仅为148mAhg-1[43]。这种损失是由于电解液中锰的溶解，或颗粒大孝形状或晶体的变化造成的。为了改善这一弱点，将铁和钴添加到LiMn2O4中，在高压下，铁的加入增加了放电平台，而钴稳定了尖晶石晶体结构，从而提高了循环过程中的容量保持能力。在LiMn2O4表面镀镍还可以提高循环过程中的容量保持能力和安全性，而不是作为体积掺杂剂的。图1.3LiMn2O4的尖晶石结构(红色:氧，紫色:锰，绿色:锂)[42]。Fig.1.3SpinelstructureofLiMn2O4(red:oxygen,purple:manganese,green:lithium).
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池Sn基合金负极材料[J]. 褚道葆,李建,袁希梅,李自龙,魏旭,万勇. 化学进展. 2012(08)
[2]层状嵌锂多元过渡金属氧化物的研究[J]. 黄友元,周恒辉,陈继涛,苏光耀,高德淑. 化学进展. 2005(03)
本文编号：3596631
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理图[6]
第一章绪论11由于锂和钴的尺寸差异较大(rLi+:0.76A；rCo3+:0.545)[24,25]。当锂值x<0.5时，实际比容量会更高，但循环损耗也会增加[24]。这是由于在充放电过程中颗粒表面的变化，增加了电池阻抗和结构不稳定性。这些副反应可以通过包覆LiCoO2粒子或进行严格的热处理来改善，但循环损失使整个锂的脱插过程仍然是不可能的。LiCoO2的主要问题是成本高、热稳定性低、在高电流率或深度循环过程中容量衰减快。已有的一些方法来提高离子电导率和循环性能，如1）涂覆一层C，氧化物如Al2O3，ZnO[26]；2）掺杂铝[27]、铬[28]和银[29]。另一种层状材料是LiNiO2，它在锂离子电池中有着广泛的研究。LiNiO2最早由Dyer等人在1954年合成，在1990年代被Dahn等人[30]广泛研究作为LiCoO2的替代品。LiNiO2虽然结构接近理想，但并不是一种很有前途的商用锂离子电池正极材料。掺杂(如Mg、Al、Co、Ga等)[31-33]已被研究用于制备LiNiO2。图1.2LiCoO2的层状过渡金属锂氧化物结构(红色:氧，蓝色:钴，绿色:锂)[24]。Fig.1.2LayeredlithiumtransitionmetaloxidestructureofLiCoO2(red:oxygen,blue:cobalt,green:lithium).纯LiMnO2(LMO)被认为是LiCoO2和LiNiO2的替代品，因为它更便宜，更环保。LiMnO2是单斜结构，但其经过循环后转变为层状六边形结构[34]。虽然LiMnO2具有285mAhg-1的高理论容量和热稳定性。然而，LiMnO2的初始实际容量只有150mAhg-1左右，
和四面体位置[42]。锂的插层/脱插层是通过三维网络而不是平面来实现的，如α-NaFeO2结构。与上述其他正极材料相比，LiMn2O4成本更低、更安全、锰的自然丰度高，但理论容量较低，仅为148mAhg-1[43]。这种损失是由于电解液中锰的溶解，或颗粒大孝形状或晶体的变化造成的。为了改善这一弱点，将铁和钴添加到LiMn2O4中，在高压下，铁的加入增加了放电平台，而钴稳定了尖晶石晶体结构，从而提高了循环过程中的容量保持能力。在LiMn2O4表面镀镍还可以提高循环过程中的容量保持能力和安全性，而不是作为体积掺杂剂的。图1.3LiMn2O4的尖晶石结构(红色:氧，紫色:锰，绿色:锂)[42]。Fig.1.3SpinelstructureofLiMn2O4(red:oxygen,purple:manganese,green:lithium).
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池Sn基合金负极材料[J]. 褚道葆,李建,袁希梅,李自龙,魏旭,万勇. 化学进展. 2012(08)
[2]层状嵌锂多元过渡金属氧化物的研究[J]. 黄友元,周恒辉,陈继涛,苏光耀,高德淑. 化学进展. 2005(03)
本文编号：3596631
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