高比容量锂离子电池负极材料制备及其电化学性能研究
发布时间：2023-02-07 20:39
新一代锂离子电池储能器件应当具有高能量密度、高循环稳定性、轻薄、低成本化以及环境友好等特点。为克服锂离子电池活性材料的低离子/电子扩散迁移速率,提升循环稳定性。设计具有优化纳米通道、低维度及交联网状的一维纳米结构,由于其独特的离子/电子输运路径,以及对材料体积变化较强的耐受性,是一种实现离子和电子高质量传输,循环高度可逆,从根本上提升锂离子电池储能性能的有效途径。本文以静电纺丝法制备一维纳米结构的高比容量锂离子电池负极材料为主线,依次设计并制备了比容量递增的碳纳米纤维(Carbon Nanofibers,CNFs)、镍/钴氧化物纳米颗粒镶嵌CNFs、空心纳米管(Nanotubes,NTs)、串珠状纳米线(Nanowires,NWs)和硅纳米颗粒镶嵌CNFs等一维结构材料。基于嵌入式反应、转换反应以及合金化反应等储能机制,系统研究了提升锂离子电池电化学性能的有效方法,取得一些重要的科学成果:(1)采用静电纺丝结合控制热解制备出直径均匀且超长连续的CNFs,并研究其作为锂离子电池电极材料的电化学性能。发现热解过程中特殊的样品夹装工艺能够优化CNFs的表面平整度,提升材料易加工性,大幅缩减电...
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 锂离子电池简述
1.2.1 锂离子电池发展史
1.2.2 锂离子电池构成和工作原理
1.2.3 锂离子电池电化学过程
1.2.4 影响电化学性能的关键因素
1.3 锂离子电池负极材料及其电化学反应机理
1.3.1 嵌入/脱嵌电化学反应
1.3.2 转换反应
1.3.3 合金化反应
1.4 一维纳米结构锂离子电池负极材料的研究进展
1.4.1 一维纳米结构材料
1.4.2 静电纺丝制备纳米纤维
1.4.3 纳米纤维作为锂离子电池负极材料的应用
1.5 研究内容和创新点
1.5.1 选题依据
1.5.2 主要内容
1.5.3 创新点
第2章 嵌入/脱嵌式的碳纳米纤维电极制备及其储能研究
2.1 引言
2.2 碳纳米纤维提升电化学性能的机理
2.2.1 碳纳米纤维提升锂离子扩散系数的机理
2.2.2 碳纳米纤维提升电极结构稳定性的机理
2.3 碳纳米纤维的制备
2.3.1 静电纺丝法制备碳纳米纤维电极
2.3.2 碳纳米纤维表面形貌优化
2.3.3 碳纳米纤维的结构与形貌特征
2.4 碳纳米纤维电极的储锂性能研究
2.4.1 碳纳米纤维电极装配与测试
2.4.2 碳纳米纤维储锂循环稳定性研究
2.5 本章小结
第3章 基于电化学转换反应的NiO一维电极材料储能研究
3.1 引言
3.2 碳纳米纤维诱导NiO均匀成核对储锂稳定性的强化机理
3.3 一维纳米结构的NiO可控制备
3.3.1 静电纺丝法制备一维纳米结构NiO
3.3.2 NiO镶嵌碳纳米纤维的结构及形貌特征
3.3.3 NiO堆砌中空纳米管的形貌特征
3.3.4 NiO串珠纳米线的形貌特征
3.4 一维纳米结构的NiO储锂性能研究
3.5 碳纳米纤维强化NiO储锂稳定性能研究
3.6 本章小结
第4章 基于电化学转换反应的Co3O4 一维电极材料储能研究
4.1 引言
4.2 一维纳米结构的Co3O4 制备
4.2.1 控制热解优化Co3O4 的一维纳米结构
4.2.2 Co3O4 镶嵌碳纳米纤维的结构及形貌特征
4.2.3 Co3O4 堆砌中空纳米管的结构及形貌特征
4.3 一维纳米结构的Co3O4 生长机理
4.4 一维纳米结构的Co3O4 储锂性能研究
4.5 Co3O4 一维纳米结构演变对储锂性能的影响
4.6 本章小结
第5章 基于电化学合金化反应的Si基纳米电极储能研究
5.1 引言
5.2 低维结构Si/C纳米电极材料的制备
5.2.1 水热法合成Si CNPs及其电极制备
5.2.2 静电纺丝法制备Si CNFs电极
5.3 低维结构Si/C纳米电极材料的结构及形貌表征
5.3.1 Si CNPs材料的结构及形貌特征
5.3.2 Si CNFs材料的结构及形貌特征
5.4 Si CNPs和 Si CNFs电极材料的储锂性能研究
5.5 静电纺丝法制备新型Si CNPs/CNFs电极材料
5.6 Si CNPs/CNFs材料的结构及形貌表征
5.7 碳包覆和碳纳米纤维协同强化Si电极材料储锂性能研究
5.8 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 本文结论
6.2 研究中存在的不足
6.3 研究展望
参考文献
致谢
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
本文编号：3737390
【文章页数】：124 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 锂离子电池简述
1.2.1 锂离子电池发展史
1.2.2 锂离子电池构成和工作原理
1.2.3 锂离子电池电化学过程
1.2.4 影响电化学性能的关键因素
1.3 锂离子电池负极材料及其电化学反应机理
1.3.1 嵌入/脱嵌电化学反应
1.3.2 转换反应
1.3.3 合金化反应
1.4 一维纳米结构锂离子电池负极材料的研究进展
1.4.1 一维纳米结构材料
1.4.2 静电纺丝制备纳米纤维
1.4.3 纳米纤维作为锂离子电池负极材料的应用
1.5 研究内容和创新点
1.5.1 选题依据
1.5.2 主要内容
1.5.3 创新点
第2章 嵌入/脱嵌式的碳纳米纤维电极制备及其储能研究
2.1 引言
2.2 碳纳米纤维提升电化学性能的机理
2.2.1 碳纳米纤维提升锂离子扩散系数的机理
2.2.2 碳纳米纤维提升电极结构稳定性的机理
2.3 碳纳米纤维的制备
2.3.1 静电纺丝法制备碳纳米纤维电极
2.3.2 碳纳米纤维表面形貌优化
2.3.3 碳纳米纤维的结构与形貌特征
2.4 碳纳米纤维电极的储锂性能研究
2.4.1 碳纳米纤维电极装配与测试
2.4.2 碳纳米纤维储锂循环稳定性研究
2.5 本章小结
第3章 基于电化学转换反应的NiO一维电极材料储能研究
3.1 引言
3.2 碳纳米纤维诱导NiO均匀成核对储锂稳定性的强化机理
3.3 一维纳米结构的NiO可控制备
3.3.1 静电纺丝法制备一维纳米结构NiO
3.3.2 NiO镶嵌碳纳米纤维的结构及形貌特征
3.3.3 NiO堆砌中空纳米管的形貌特征
3.3.4 NiO串珠纳米线的形貌特征
3.4 一维纳米结构的NiO储锂性能研究
3.5 碳纳米纤维强化NiO储锂稳定性能研究
3.6 本章小结
第4章 基于电化学转换反应的Co3O4 一维电极材料储能研究
4.1 引言
4.2 一维纳米结构的Co3O4 制备
4.2.1 控制热解优化Co3O4 的一维纳米结构
4.2.2 Co3O4 镶嵌碳纳米纤维的结构及形貌特征
4.2.3 Co3O4 堆砌中空纳米管的结构及形貌特征
4.3 一维纳米结构的Co3O4 生长机理
4.4 一维纳米结构的Co3O4 储锂性能研究
4.5 Co3O4 一维纳米结构演变对储锂性能的影响
4.6 本章小结
第5章 基于电化学合金化反应的Si基纳米电极储能研究
5.1 引言
5.2 低维结构Si/C纳米电极材料的制备
5.2.1 水热法合成Si CNPs及其电极制备
5.2.2 静电纺丝法制备Si CNFs电极
5.3 低维结构Si/C纳米电极材料的结构及形貌表征
5.3.1 Si CNPs材料的结构及形貌特征
5.3.2 Si CNFs材料的结构及形貌特征
5.4 Si CNPs和 Si CNFs电极材料的储锂性能研究
5.5 静电纺丝法制备新型Si CNPs/CNFs电极材料
5.6 Si CNPs/CNFs材料的结构及形貌表征
5.7 碳包覆和碳纳米纤维协同强化Si电极材料储锂性能研究
5.8 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 本文结论
6.2 研究中存在的不足
6.3 研究展望
参考文献
致谢
附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
本文编号：3737390
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