碳包覆过渡金属氧化物高效锂离子电池负极材料的设计制备及其性能研究

发布时间：2017-09-07 07:09

  本文关键词：碳包覆过渡金属氧化物高效锂离子电池负极材料的设计制备及其性能研究

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【摘要】：锂离子电池由于具有长寿命、理论容量高、环境友好、无记忆性和安全可靠等优点,在现代电子消费产品和新一代电动汽车中得到广泛应用。但是自该技术发明以来,锂离子电池一直在电极材料的设计和电池自身的组装上面临诸多的挑战。一方面是在锂离子电池在充放电过程中怎样提高其系统电解液的扩散、离子的转移和电极的导电性;另外一方面是怎样设计与合成先进的电极材料来提高电池的充放电比容量和容量保持率。最近很多材料例如金属、碳材料、过渡金属硫化物、过渡金属氧化物及其复合物等被应用于锂离子电池,并且得到了广泛的关注。在这些材料当中,过渡金属氧化物由于具有特殊的物理和化学性质而得到越来越多的注意,但是容易团聚、导电性差、严重的体积效应会导致其循环性能减弱和不可逆容量的增加。在本论文中,我们采用一种简单便捷的方法制备了石墨化碳包覆的过渡金属氧化物纳米颗粒的复合材料,分别得到了具有三明治形和豆荚形的锂离子负极材料。通过扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),X-射线衍射仪(XRD),比表面积仪(BET)等技术分析材料的结构和形貌特征。通过循环伏安(CV),恒电流充放电,交流阻抗谱(EIS),倍率性能和循环性等来测试电极材料的电化学性能。为了提高TiO_2材料的电化学性能,自支撑介孔豆荚形TiO_2@C纳米纤维阵列被合成且应用于锂离子电池。实验采用两步水热和一步CVD煅烧的方法,以钛酸纳米管阵列(H2Ti3O7)为前驱物和牺牲模板,葡萄糖分子作为绿色碳源,成功在钛基底上合成了新颖的豆荚形TiO_2@C纳米纤维阵列。通过对材料的分析表征,我们可以发现复合阵列具有很多优点,例如多孔结构、纳米尺寸的TiO_2颗粒、大比表面积和石墨化的碳外壳。正是得益于这些优良的性质,我们的材料表现出了良好的循环性能(在一倍率电流密度下循环100圈,比容量可以达到162 mAh g-1),杰出的倍率性能(在10倍率电流下,比容量可以达到124 mAh g-1)。采用电沉积的方法,以α-Co(OH)_2纳米片为前驱物和模板,通过两步水热和煅烧处理得到二维的碳片包覆空心Co3O4纳米颗粒阵列。这种设计合成的电极材料展现出一些独特的性能,包括了多孔性,大比表面积,颗粒间有间隙和外层碳很薄等。因为这些独特的性质,当这种材料应用于锂离子电池是展现出很高的倍率性能和出众的可逆性能。采用水热的方法第一次成功制备了一维NiCo_2O_4@C纳米棒复合阵列,并且与未处理的NiCo_2O_4一维阵列进行对比。所得到的一维豆荚形NiCo_2O_4@C纳米棒阵列直接长在三维的泡沫镍上。对比于其他合成的NiCo_2O_4材料,我们合成的复合物电极材料表现出很好的导电性和高孔隙性。所有的这些特征都充分证明这种材料在锂电池测试中表现出杰出的储存性能,例如优异的倍率性能,较高的比容量和良好的循环性能与库伦效率。
【关键词】：锂离子电池 石墨化碳 介孔性 核-壳结构 负极材料
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.4;TM912
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-32
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池简介10-14
• 1.2.1 锂离子电池发展史10-11
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理11-13
• 1.2.3 锂离子电池的优缺点13-14
• 1.3 锂离子电池的组成14-20
• 1.3.1 锂离子电池正极材料14-15
• 1.3.2 隔膜和电解液15-16
• 1.3.3 锂离子电池负极材料16-20
• 1.4 过渡金属氧化物材料的分类20-21
• 1.4.1 嵌入型过渡金属氧化物材料20
• 1.4.2 氧化还原型过渡金属氧化物材料20-21
• 1.5 过渡金属氧化物材料的研究现状21-29
• 1.5.1 纳米化21
• 1.5.2 合成特殊形貌21-23
• 1.5.3 空心结构23-25
• 1.5.4 碳材料复合25-28
• 1.5.5 合成多元氧化物负极材料28-29
• 1.6 本论文的主要研究目的和内容29-32
• 2 实验部分32-36
• 2.1 实验试剂与仪器32-33
• 2.1.1 主要实验试剂32
• 2.1.2 实验仪器32-33
• 2.2 材料表征与测试33
• 2.3 电化学测试技术33-36
• 2.3.1 半电池组装33-34
• 2.3.2 循环伏安测试34
• 2.3.3 恒电流充放电测试34
• 2.3.4 交流阻抗测试34-36
• 3 碳纤维包覆TiO_2纳米颗粒阵列材料的制备与性能研究36-46
• 3.1 引言36
• 3.2 制备方法36-38
• 3.2.1 材料的制备36-37
• 3.2.2 材料的结构和形貌表征37
• 3.2.3 电池的组装和测试37-38
• 3.3 结果与讨论38-45
• 3.3.1 实验设计38
• 3.3.2 物相分析38-39
• 3.3.3 形貌与孔隙分析39-42
• 3.3.4 电化学性能分析42-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 碳片包覆空心Co3O4纳米颗粒阵列材料的制备与性能研究46-58
• 4.1 引言46-47
• 4.2 制备方法47-48
• 4.2.1 材料的制备47
• 4.2.2 碳含量的测量47-48
• 4.2.3 材料的结构和形貌表征48
• 4.2.4 电池的组装和测试48
• 4.3 实验的设计流程48-49
• 4.4 结果与讨论49-57
• 4.4.1 物相表征49-50
• 4.4.2 形貌分析50-53
• 4.4.3 电化学性能分析53-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 碳棒包覆NiCo_2O_4纳米颗粒阵列材料的制备与性能研究58-72
• 5.1 引言58-59
• 5.2 制备方法59-60
• 5.2.1 材料的制备59-60
• 5.2.2 碳含量的测量60
• 5.2.3 材料的结构和形貌表征60
• 5.2.4 电池的组装和测试60
• 5.3 结果与讨论60-69
• 5.3.1 实验设计60-61
• 5.3.2 物相表征61-64
• 5.3.3 形貌分析64-66
• 5.3.4 电化学性能分析66-69
• 5.4 本章小结69-72
• 6 总结与展望72-74
• 6.1 主要结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-88
• 附录88
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文题目88

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本文编号：808109