镍基及硅基纳米负极材料的研究

发布时间：2017-09-06 17:45

  本文关键词：镍基及硅基纳米负极材料的研究

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【摘要】：新能源汽车的迅速发展迫切需要高容量、长寿命、安全性好的锂离子电池电极材料的研发。本文制备了三种负极材料：生长在泡沫镍上的Ni(OH)_2和Mn02的复合材料(Ni(OH)_2/MnO_2)、硅／石墨烯复合材料(Si/Graphene)和Si/聚苯胺的水凝胶复合材料(Si/PANi)。并采用XRD、SEM、TEM等方法对材料的结构和形貌进行了表征,还通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗等测试方法研究了材料的电化学性能。采用水热反应法制备了Ni(OH)_2/MnO_2复合材料,材料以泡沫镍为基底,无需使用粘结剂和导电剂。探究了不同水热反应时间对复合材料形貌和电化学性能的影响。结果表明,在120℃水热反应下反应6小时,生长在泡沫镍上的Mn02包覆Ni(OH)_2核壳复合材料(Core/Shell Ni(OH)_2@MnO_2 Nickel Foams,简称CSNi(OH)_2@MnO_2 NFs)是具有独特毛毛虫形貌的3D核壳结构,并且表现出了最优的电化学性能。在200 mA g-1的电流密度下,CS Ni(OH)_2@MnO_2 NFs首次放电比容量是2223 mAh g-1,经过80次循环后,放电比容量仍保有1210 mAh g-1。当电流密度为1000 mA g-1时,CS Ni(OH)_2@MnO_2 NFs复合材料的首次放电比容量为1541 mAh g-1,100次循环后放电比容量仍有650 mAh g-1。采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,通过高温还原法制备了Si/Graphene复合材料。当在700℃的还原温度下还原2小时,加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)时,复合材料具有最优的电化学性能。在100 mA g-1的电流密度下,Si/Graphene复合材料的首次放电比容量和首次充电比容量分别为1359 mAh g-1和880 mAh g-1,40次循环后,Si/Graphene复合材料的放电比容量为442 mAh g-1。通过原位聚合法制备了Si/PANi水凝胶复合材料,材料直接涂在铜箔上制成电极片,无需使用粘结剂和导电剂。Si/PANi水凝胶复合材料展现出了高的比容量和良好的循环稳定性以及倍率性能。在200 mA g-1的电流密度下,首次放电比容量为1379 mAh g-1,循环70次后的放电比容量仍有609 mAhg-1。Si/PANi水凝胶复合材料分别在200mAg-1、400mAg-1、800mAg-1、1000 mAg-1的电流密度下循环10次后,在200 mA g-1的电流密度下测试,放电比容量仍有835 mAh g-1,表现出了良好的倍率性能。
【关键词】：锂离子电池 负极 氢氧化镍 硅 石墨烯 聚苯胺
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-27
• 1.1 引言14
• 1.2 锂离子电池介绍14-18
• 1.2.1 锂离子电池的发展历史14-15
• 1.2.2 锂离子电池的结构15-16
• 1.2.3 锂离子电池的原理16-17
• 1.2.4 锂离子电池的特点17-18
• 1.3 锂离子电池负极材料概况18-20
• 1.3.1 锂离子电池负极材料的特性18
• 1.3.2 碳基材料18-19
• 1.3.3 非碳基材料19-20
• 1.4 过渡金属化合物负极材料的瓶颈与改性20-22
• 1.4.1 过渡金属化合物负极材料的储锂机制20-21
• 1.4.2 过渡金属化合物负极材料的技术瓶颈21
• 1.4.3 过渡金属化合物负极材料的改性方案21-22
• 1.5 硅基负极材料的瓶颈与改性22-25
• 1.5.1 硅基负极材料的储锂机制22-24
• 1.5.2 硅基负极材料的技术瓶颈24
• 1.5.3 硅基负极材料的改性方案24-25
• 1.6 本文的主要工作25-27
• 第2章 实验部分27-32
• 2.1 实验材料与仪器27-28
• 2.1.1 实验药品27-28
• 2.1.2 实验主要仪器与设备28
• 2.2 扣式电池组装28-29
• 2.3 材料的表征方法29-30
• 2.3.1 X射线衍射29-30
• 2.3.2 扫描电子显微镜30
• 2.3.3 透射电子显微镜30
• 2.4 材料的电化学性能测试30-32
• 2.4.1 恒流充放电性能测试30-31
• 2.4.2 循环伏安测试31
• 2.4.3 交流阻抗测试31-32
• 第3章 Ni(OH)_2/MnO_2复合材料的研究32-44
• 3.1 Ni(OH)_2/MnO_2复合材料的制备32-33
• 3.1.1 泡沫镍的处理32
• 3.1.2 Ni(OH)_2的制备32
• 3.1.3 Ni(OH)_2/MnO_2的制备32-33
• 3.2 Ni(OH)_2/MnO_2复合材料的表征33-36
• 3.2.1 XRD分析33
• 3.2.2 SEM分析和示意图33-35
• 3.2.3 TEM和Mapping分析35-36
• 3.3 Ni(OH)_2/MnO_2的电化学性能测试36-42
• 3.3.1 循环伏安和恒流充放电性能36-38
• 3.3.2 循环和倍率性能38-41
• 3.3.3 阻抗性能41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第4章 Si/Graphene复合材料的研究44-56
• 4.1 纳米硅材料的表征及性能研究44-46
• 4.1.1 纳米硅材料的制备44
• 4.1.2 纳米硅材料的表征44-45
• 4.1.3 纳米硅材料的电化学性能45-46
• 4.2 Si/Graphene复合材料的表征及性能研究46-55
• 4.2.1 Si/Graphene复合材料的制备46-47
• 4.2.2 还原时间对Si/Graphene复合材料性能影响的研究47-51
• 4.2.3 PVP对Si/Graphene复合材料性能影响的研究51-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第5章 Si/PANi复合材料的研究56-62
• 5.1 Si/PANi复合材料的制备56-57
• 5.2 Si/PANi复合材料的表征57-58
• 5.2.1 XRD分析57
• 5.2.2 SEM分析57-58
• 5.3 Si/PANi复合材料的电化学性能测试58-61
• 5.3.1 循环伏安性能58-59
• 5.3.2 恒流充放电性能59
• 5.3.3 循环性能59-60
• 5.3.4 倍率性能60-61
• 5.4 本章小结61-62
• 结论62-64
• 参考文献64-72
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录72-73
• 致谢73

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本文编号：804552