锂离子电池负极材料仿生表面改性研究

发布时间：2018-11-24 10:12

【摘要】：锂离子电池具有很多优势,例如高能量密度、无记忆效应、较长的循环寿命等,这些优势使其成为便携式电子设备重要的动力提供者。随着环境和能源危机的出现,锂离子电池作为下一代混合和纯电动汽车的动力源之一越来越受到关注,并对锂离子电池的能量密度和安全性能提出了更高的要求,这就促使我们去研究开发低消耗和高性能的电极材料。目前商用的锂离子电池负极材料石墨存在一些缺点,例如比容量低(理论比容量372 mAh g~(-1))、大倍率下容量衰减比较快,这一系列的问题不能满足高性能锂离子电池下一代的高要求。所以,研究其它高比容量,优异的循环和倍率性能的电极材料是很有必要的。ZnFe_2O_4因为高理论比容量和低能耗而受到广泛关注。但是,ZnFe_2O_4负极材料导电性差、体积膨胀等问题导致了容量的快速衰减、倍率性能较差,这些问题限制了它的实际应用。为了改善这个现状,研究者们通常将金属复合氧化物纳米化或者与高电导率材料(碳、金属)复合,来提高界面动力和电子传输能力。进而增加结构的稳定性和循环稳定性。Li_4Ti_5O_(12)在充放电过程中具有良好的循环可逆性,材料的体积几乎没有变化,循环稳定性也比较理想。工作电压在1.5 V左右,可以有效的防止金属锂枝晶的形成,从而保证电池在循环过程中良好的安全性能。但是Li_4Ti_5O_(12)的电子导电性差、容易胀气,这是Li_4Ti_5O_(12)作为锂离子电池负极材料得不到广泛应用的主要原因。目前,针对材料所存在的问题主要从以下几个方面进行改性:制备纳米级别的材料、与导电物质复合、离子掺杂、表面包覆等。本论文绪论简单介绍锂离子电池及关键材料外,主要针对ZnFe_2O_4和Li_4Ti_5O_(12)负极材料的改性方法进行了详细阐述。本论文的主要实验是通过仿生的方法将多巴胺包覆及其与多种导电剂的复合物修饰在ZnFe_2O_4和Li_4Ti_5O_(12)负极材料的表面,制备出复合负极材料。具体的实验内容分为以下三个方面:1.采用简单易行的溶胶凝胶法制备出纳米级别的ZnFe_2O_4负极材料,用仿生材料多巴胺通过在材料表面自聚包覆形成一层聚多巴胺包覆层。由于聚多巴胺薄膜是很好的离子透过膜,因此,在ZnFe_2O_4负极材料表面修饰聚多巴胺薄膜后保护电极材料的同时还可以改善电极材料的离子导电性。本实验通过控制不同的反应时间对包覆层的厚度进行优化,当包覆时间为2 h时,复合材料展示出了出色的电化学性能,在电流是1 A g~(-1)时,初始放电比容量是2079 mAh g~(-1),循环了150圈后,可逆放电比容量仍然可以达到2074mAh g~(-1)。而且,在电流为5 A g~(-1)时,ZFDA1电极的可逆比容量是1187 mAh g~(-1)。2.开发了一种兼具离子导电和电子导电的双功能表面修饰层,该修饰层是由聚多巴胺和不同导电碳复合而成。多巴胺具有和任何材料都有很好结合力的特性,在多巴胺的缓冲溶液中添加适量的导电碳,通过多巴胺的自聚在ZnFe_2O_4负极材料表面实现均匀地双功能表面修饰。本实验在前期包覆厚度优化的基础上优化了不同导电碳种类(如Super P或Graphene)和不同添加量对ZnFe_2O_4负极材料电化学性能的影响。当Super P的添加量为3%时,复合材料ZFDASP2电性能最好。在1 A g~(-1)的电流密度下进行100次循环后仍然够保持约2101.9 mA h g~(-1)的容量。Graphene的添加量为2%时,复合材料ZFDAGO1具有最优的电化学性能。3.对负极材料Li_4Ti_5O_(12)表面进行双功能包覆改性,采用效果较好的Super P作为导电碳,对Super P的添加量进行了进一步的优化。当Super P的添加量为3%时,在电流密度35 mA g~(-1)下,可以明显看出LTOSP2的初始放电比容量为175 mAh g~(-1),而未经过改性的LTO的首次放电比容量为162.7 mAh g~(-1),循环至150圈后,LTOSP2的放电比容量仍保持在较高水平。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

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本文编号：2353272