锗基纳米材料的合成及作为锂离子电池负极材料研究

发布时间：2017-09-17 12:39

  本文关键词：锗基纳米材料的合成及作为锂离子电池负极材料研究

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【摘要】：近年来,电子设备和电动汽车技术的迅猛发展激发了对新一代安全,廉价,循环寿命长,比容量高的电池负极材料的研发。商用锂离子电池负极材料是碳类材料,理论容量低,限制了锂离子电池容量的进一步提高。锗基材料是一类高容量的材料,因此被认为是很有前途的候选负极材料。但是高容量负极材料在研究过程中遇到一些瓶颈问题:1)材料制备复杂繁琐,效率低,2)电极材料在充放电过程中,体积变化大,导致电极材料粉碎和导电网络崩溃,无法实现高容量循环。因此,通过设计锗基材料结构及与碳材料复合等方法,来改善锗基材料的容量衰减问题。针对上述问题,本论文从材料结构设计出发,制备空心球结构,多孔复合材料等结构抑制体积膨胀问题,提高电极材料的电化学性能。主要研究内容和创新成果如下:一、无定型态GeO_x空心球材料的制备及电化学性能研究。利用H2气泡作为模板,经溶剂热的方法一步制备无定型态GeO_x空心球材料。在该负极材料中,GeO_x空心球电极在500mAg~(-1)电流密度下充放电循环100次后,容量为794mAhg~(-1)。二、Ge/C复合材料的合成及电池性能研究。常温下利用溶胶-凝胶法成功制备凝胶前驱体,经高温热还原的方法得到多孔Ge/C复合材料。这种独特的三维结构拥有多孔性,均匀的颗粒分布在框架中。得到的Ge/C复合材料显示了高的可逆容量和优越的循环性能。作为锂离子电池负极材料,Ge/C电极在100mAg~(-1)电流密度下,循环100次后,容量在1016mAhg~(-1)。三、核壳结构Zn_2GeO_4@C纳米棒的合成及电化学性能研究。这一章采用水热方法首先制备Zn_2GeO_4纳米棒。多巴胺作为碳源沉积在Zn_2GeO_4纳米棒上,再在氮气气氛中煅烧包碳,得到Zn_2GeO_4@C纳米棒负极材料。Zn_2GeO_4@C核壳纳米棒电极具有较高的可逆比容量,100次充放电循环后,容量在635mAhg~(-1),是高容量锂离子电池负极材料的候选者。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 锗 纳米材料
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.0 引言10
• 1.1 锂离子电池的发展历程10-11
• 1.2 锂离子电池结构与工作原理11-12
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究概括12-16
• 1.3.1 碳材料12-13
• 1.3.2 过渡金属氧化物13
• 1.3.3 硅、锗等合金化型负极材料13-16
• 1.3.3.1 硅负极材料13-14
• 1.3.3.2 锗负极材料14-16
• 1.4 负极材料容量衰减问题的研究16-17
• 1.4.1 负极材料的体积变化16
• 1.4.2 SEI膜的形成16-17
• 1.4.3 电解液的分解17
• 1.5 本论文的研究内容和意义17-18
• 参考文献18-24
• 第二章 实验材料和研究方法24-28
• 2.1 实验试剂24-25
• 2.2 实验设备25
• 2.3 材料的分析方法25-26
• 2.3.1 X射线衍射法(XRD)25-26
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）26
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）26
• 2.3.4 拉曼光谱测试（Raman）26
• 2.3.5 X射线光电子能谱测试（XPS）26
• 2.4 锂离子电池的制备和组装及电化学性能测试26-28
• 2.4.1 扣式半电池的制备和组装26-27
• 2.4.2 电化学性能测试27
• 2.4.3 循环伏安测试（CV）27
• 2.4.4 交流阻抗测试（ESI）27-28
• 第三章 无定型态GeO_x空心球材料的制备及电化学性能研究28-44
• 3.1 引言28-29
• 3.2 实验部分29-30
• 3.2.1 实验药品及设备29
• 3.2.2 无定形态GeO_x空心球的制备29
• 3.2.3 材料的表征29
• 3.2.4 电池的组装和测试29-30
• 3.3 T-GeO_x空心球的结构表征30-33
• 3.3.1 T- GeO_x空心球的XRD和组分分析30-31
• 3.3.2 T-GeO_x空心球的的形貌31-33
• 3.4 形成机理33-34
• 3.5 电化学性能测试及分析34-38
• 3.6 本章小结38
• 参考文献38-44
• 第四章 Ge/C复合材料的合成及电池性能研究44-57
• 4.1 引言44-45
• 4.2 实验部分45
• 4.2.1 材料的制备45
• 4.2.2 材料的表征45
• 4.2.3 电池的组装和测试45
• 4.3 结果与讨论45-52
• 4.3.1 形成机理45-46
• 4.3.2 表征分析46-52
• 4.3.2.1 煅烧温度对Ge/C复合材料形貌和结构的影响46-49
• 4.3.2.2 电化学性能测试及分析49-52
• 4.4 本章小结52
• 参考文献52-57
• 第五章 核壳结构Zn_2GeO_4@C纳米棒的合成及电化学性能研究57-69
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验部分58
• 5.2.1 材料的制备58
• 5.2.2 材料的表征58
• 5.2.3 电池的组装和测试58
• 5.3 反应参数对形成Zn_2GeO_4产物的影响58-60
• 5.3.1 pH对反应的影响58-59
• 5.3.2 反应时间的影响59-60
• 5.3.3 温度对反应的影响60
• 5.4 结果与讨论60-64
• 5.4.1 表征分析60-62
• 5.4.2 电池性能62-64
• 5.5 本章小结64-65
• 参考文献65-69
• 附录69-70
• 致谢70

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本文编号：869502