几种三元金属氧化物的结构设计及电化学性能研究

发布时间：2017-03-23 00:12

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【摘要】：锂离子电池由于其高的能量密度、长的使用寿命及无记忆效应等优点受到了研究者的广泛关注。近年来,作为重要的能源储能及供给装置已经大量应用于智能电网、便携式电子设备、混合/纯电动汽车及其他环保电子设备中。为了满足日益增长的需求,急需要开发具有低成本、高安全性及高能量密度的锂离子电池,而这些性能与电极材料的选取密切相关。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分,目前,商用石墨类材料由于低的能量密度及安全性差等问题已经不能满足下一代锂离子电池的需求。三元金属氧化物由于其优异的电化学性能、低成本及环保等优点成为了一种非常有前景的电极材料。然而,在循环过程中巨大的体积变化导致的材料粉碎阻碍了它的进一步发展。因此,本文主要通过对三元金属氧化物进行结构设计并不断优化,以此来解决电极材料在循环过程中由于体积变化导致的结构坍塌问题,主要工作分为以下三个部分:(1)采用两步法合成了由介孔单晶CoMn2O4纳米片自主装的分层空心微花。首先采用溶剂热法合成了CoMn-醇酸盐前驱体,其次将前驱体在空气中500℃煅烧处理就得到了目标产物。研究发现,去离子水在分层空心微花结构的形成中扮演着至关重要的角色,当反应体系中不加去离子水时,形成的是纳米片结构,当加入去离子水时,形成了分层空心微花。依据一系列的基于时间的实验,我们探究了分层空心微花的可能形成机理。实验结果表明:分层空心微花的形成是典型的自内向外的奥斯特瓦尔德熟化过程。鉴于CoMn2O4特殊的结构,将其用于锂离子电池负极材料,小电流密度100 mA g-1下,100次循环后,可逆容量高达915 mA h g-1,更重要的是在大电流密度1000mA g-1下,初始放电容量高达1024 mA h g-1,500次循环后,容量依然保持650 mA h g-1,对应的库伦效率为98.7%,表现出了出色的循环性能。(2)以Zn(CH3COO)2·2H2O和GeO2为原料,乙二胺为螯合剂和结构导向剂,CTAB为表面活性剂,用一步水热法合成了捆束状的Zn2GeO4。使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等测试手段对样品的物相组成、结构和形貌进行表征和分析,研究了乙二胺和CTAB的浓度对Zn2GeO4形貌的影响。结果表明,乙二胺和CTAB的浓度对捆束状Zn2GeO4的合成至关重要,当乙二胺为0.16 mol,CTAB为0.109 g时,产物为Zn2GeO4纳米棒自组装的捆束状分层结构,该结构中间部分直径约为2μm,长度约为8μm。将捆束状的Zn2GeO4用作负极材料时,在电流密度100 mA g-1下,首次放电/充电容量1774/1107 mA h g-1,60次循环后放电容量为776 mA h g-1,库伦效率高达99%,表现了优异的循环性能。(3)以碳微球为模板,通过溶剂热法及随后的煅烧处理得到中空的NiCo2O4纳米微球,通过X射线粉末衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对样品的组成及形貌进行了表征,结果表明:制备的NiCo2O4中空微球具有高度的结晶性,粒径为300 nm,空心球壁厚为30 nm,当用作锂离子电池负极材料时,在1000 mA g-1电流密度下,首次放电容量达到了1360 mA h g-1,循环250次后,容量高达585 mA h g-1,库伦效率为99%,表现出了优异的循环性能。
【关键词】：负极材料 锂离子电池 三元金属氧化物 分层结构 中空结构
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TB34
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池概述11-15
• 1.2.1 锂离子电池发展简史11-13
• 1.2.2 锂离子电池的结构及原理13-14
• 1.2.3 锂离子电池的特点及应用14-15
• 1.3 锂离子电池负极材料概述15-21
• 1.3.1 碳材料15-17
• 1.3.2 硅基及锗基材料17-19
• 1.3.3 钛酸锂材料19
• 1.3.4 过渡三元金属氧化物19-21
• 1.4 本课题的研究内容21-22
• 2 CoMn_2O_4分层空心微花的制备及电化学性能研究22-41
• 2.1 引言22-23
• 2.2 实验部分23-26
• 2.2.1 实验药品及实验仪器23-24
• 2.2.2 CoMn_2O_4分层空心微花的制备24-25
• 2.2.3 产品的表征和电化学性能测试25-26
• 2.3 结果与讨论26-40
• 2.3.1 中间体的物相及形貌表征26-27
• 2.3.2 产物的物相及形貌表征27-32
• 2.3.3 分层空心微花的机理探讨32-35
• 2.3.4 产物的比表面积及孔径分析35-36
• 2.3.5 产物的电化学性能表征36-40
• 2.4 本章小结40-41
• 3 捆束状Zn_2GeO_4的制备及电化学性能研究41-53
• 3.1 引言41-42
• 3.2 实验部分42-45
• 3.2.1 实验药品及实验仪器42-43
• 3.2.2 捆束状Zn_2GeO_4的制备43-44
• 3.2.3 产品的表征和电化学性能测试44-45
• 3.3 结果和讨论45-52
• 3.3.1 产品的物相分析45-46
• 3.3.2 Zn_2GeO_4样品的形貌表征46-47
• 3.3.3 捆束状Zn_2GeO_4的形成过程及相关机理探讨47-51
• 3.3.4 捆束状Zn_2GeO_4的电化学性能分析51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 4 中空NiCo_2O_4纳米微球的制备及电化学性能研究53-61
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验部分54-56
• 4.2.1 实验药品及实验仪器54-55
• 4.2.2 中空NiCo_2O_4纳米微球的制备55
• 4.2.3 产品的表征和电化学性能测试55-56
• 4.3 结果与讨论56-60
• 4.3.1 形成机理56
• 4.3.2 物相及热重分析56-57
• 4.3.3 形貌分析57-58
• 4.3.4 中空NiCo_2O_4的电化学性能分析58-60
• 4.4 本章小结60-61
• 5 结论61-63
• 参考文献63-75
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果75-76
• 致谢76-77

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 于敬学;硅和锗基纳米材料的合成及作为锂离子电池负极材料的研究[D];浙江大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 王瑞;锂离子电池负极锗酸盐复合材料的制备及电性能研究[D];华南理工大学;2014年

2 杜军;钴酸镍纳米结构材料的合成及电化学性能研究[D];湖南大学;2014年

3 王瑗钟;几种锂电池纳米电极材料的制备与电化学性能研究[D];中北大学;2013年

4 刘进;分等级Zn_2GeO_4微米球催化剂的制备及其光催化性能研究[D];武汉理工大学;2012年

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本文编号：262532