过渡金属基微纳结构复合电极材料的可控制备及性能研究
发布时间：2020-04-25 10:23
【摘要】：将过渡金属氧化物负极材料构筑成微纳结构,或者与其他材料进行复合,是提升锂离子电池性能的有效途径。采用可控方式制备性能优异的材料,是实现电极材料性能提升、实现大规模生产的前提条件。在去合金化反应中,通过改变前驱体合金的组分、添加表面活性剂、改变刻蚀液浓度或刻蚀途径、添加强氧化剂等方法,制备出铁基、锰基微纳结构复合电极材料,以XRD、SEM、EDS、XPS等表征手段分析材料结构,并采用恒电流充放电循环、循环伏安、交流阻抗等方法研究测试其电化学性能。结果表明,改变这些去合金化的条件,均可以实现材料的可控制备以及电化学性能的优化改进。1.选取不同组分的多元铁基、锰基合金进行去合金化反应,产物为AB_2O_4型尖晶石结构,其中,锰含量较高的更容易生成八面体形貌产物,而铁、铜、镍含量的产物更容易形成片状产物。对结果产物进行电化学性能测试,可以得到,AB_2O_4结构的产物中,B组分主要提供储锂能力,A组分主要改变电化学稳定性。此外,复合材料的微纳结构及其产生的协同效应也对电化学性能有着显著影响。因此,对锰基、铁基合金前驱体加入不同掺杂量的多种元素,可以改善产物微观结构、形貌并提升电化学性能。2、在铁基、锰基合金去合金化的过程中,添加非离子、阴离子和阳离子表面活性剂参与反应,并对比结构时发现,不同类型表面活性剂对产物形貌及产物的作用机理可能存在差异。其中,非离子表面活性剂PVP可能会减缓Al与NaOH的反应速率,导致去合金化产物的形貌发生改变、结晶性变差;而阴离子表面活性剂并没有对产物的化学成分、晶体结构甚至是结晶性造成直接影响,但是对形貌的影响比较明显;阳离子表面活性剂CTAB在去合金化反应中起到了结构导向剂作用,显著改善了产物的结晶性和微观形貌。这三种表面活性剂的加入均影响了产物的储锂性质和电化学的稳定性,结果表明,表面活性剂的种类、添加量、临界胶束浓度、聚合度、官能团对去合金化产物均起到了不同程度的影响,并且这种方法简单、高效、可调节,具有实际意义。3、首先对比了不同浓度NaOH腐蚀液对产物的结构和电化学性能的影响,结果表明,选择适当的浓度可以提高产物Mn_3O_4/CuMn_2O_4在充放电过程中的稳定性,尤其是5M产物具有最优的循环性能(200 mA g~(-1)循环600圈,596 mAh g~(-1))和良好的倍率性能(2000 mA g~(-1)电流密度,114 mAh g~(-1))以及大电流充放电的稳定性。接着我们用先酸后碱,分步刻蚀的方法制备Mn_3O_4/CuMn_2O_4时,与前面的产物相比,产物的结晶性和微观形貌有所改善,但是需要控制好氧化物的实际含量,避免活性物质较少所造成的对电化学反应的不利影响。最后通过在去合金化反应中添加强氧化剂H_2O_2,并与未添加H_2O_2的产物作对比,结果表明,添加H_2O_2改善了Fe_3O_4/NiFe_2O_4的结构,使得产物晶粒尺寸明显减小,形貌更加均匀,储锂性能和稳定性也得到了改善和提升。由此可知,在实际的去合金化生产和应用的过程中,以上的实验都可以实现产物结构和性能的可控制备,并具有参考价值和实践意义。
【图文】：
[4-6]。图1.1 回顾储能设备的发展历史[7]。（左上）1899年，配备铅酸电池的汽车，（左下）当今，纯电动汽车，（右上）1920年，第一台无线电话，（右下）100年后，智能手机。Figure 1.1 Revisiting the past. In 1899, a car equipped with lead acid batteries (top left). Onecentury later, fully electrical cars (bottom left), are coming back into the picture. Meanwhile, thefirst invented wireless communication in 1920 (top right). 100 years later, the latest multi-functionmobile phones (bottom right).常用的储能技术，，包括机械储能、化学储能、电储能和电化学储能四类[8]，由于电池是具有高效、低污染、便携性、可控性强等优点[9]的电化学储能设备，被广泛应用于各个领域。经过一个多世纪的发展和应用[7]
这促进了新能源产业体系的快速发展，从而进一步推动了电池研究及其相关产业的长足进步。图1.2 不同电池的能量密度（质量能量密度-体积能量密度）对比图[3]。Figure 1.2 Comparison of the different battery technologies in terms of volumetric and gravimetricenergy density.1.2 锂离子电池概述锂离子电池是指以Li+嵌入和脱嵌为内容的化合物作为正负极材料的一种二次“摇椅式”电池。由于锂是相对原子质量最小（6.94）、标准电极电位最低（-3.04V）的金属元素，可以产生超过3 V的工作电压，并且锂是理论上电化学比能量最大（3860 mAh g-1）的金属，导致其容量远高于其他传统商业化电池。自1976年首次报道了二次锂电池的研究以来，锂离子电池成为了近年来的研究热点[11]，特别是1991年日本索尼公司成功开发出商业化锂离子电池（LixC6/LiX PC-EC溶液/Li1-xCoO2），锂离子电池开始在笔记本电脑、智能手机、便携式穿戴设备上大量使用，如今锂离子电池相关产业已经形成了完善的生产工艺体系。1.2.1 锂离子电池组成锂离子电池的内部组成
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM912
本文编号：2640136
【图文】：
[4-6]。图1.1 回顾储能设备的发展历史[7]。（左上）1899年，配备铅酸电池的汽车，（左下）当今，纯电动汽车，（右上）1920年，第一台无线电话，（右下）100年后，智能手机。Figure 1.1 Revisiting the past. In 1899, a car equipped with lead acid batteries (top left). Onecentury later, fully electrical cars (bottom left), are coming back into the picture. Meanwhile, thefirst invented wireless communication in 1920 (top right). 100 years later, the latest multi-functionmobile phones (bottom right).常用的储能技术，，包括机械储能、化学储能、电储能和电化学储能四类[8]，由于电池是具有高效、低污染、便携性、可控性强等优点[9]的电化学储能设备，被广泛应用于各个领域。经过一个多世纪的发展和应用[7]
这促进了新能源产业体系的快速发展，从而进一步推动了电池研究及其相关产业的长足进步。图1.2 不同电池的能量密度（质量能量密度-体积能量密度）对比图[3]。Figure 1.2 Comparison of the different battery technologies in terms of volumetric and gravimetricenergy density.1.2 锂离子电池概述锂离子电池是指以Li+嵌入和脱嵌为内容的化合物作为正负极材料的一种二次“摇椅式”电池。由于锂是相对原子质量最小（6.94）、标准电极电位最低（-3.04V）的金属元素，可以产生超过3 V的工作电压，并且锂是理论上电化学比能量最大（3860 mAh g-1）的金属，导致其容量远高于其他传统商业化电池。自1976年首次报道了二次锂电池的研究以来，锂离子电池成为了近年来的研究热点[11]，特别是1991年日本索尼公司成功开发出商业化锂离子电池（LixC6/LiX PC-EC溶液/Li1-xCoO2），锂离子电池开始在笔记本电脑、智能手机、便携式穿戴设备上大量使用，如今锂离子电池相关产业已经形成了完善的生产工艺体系。1.2.1 锂离子电池组成锂离子电池的内部组成
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TM912
【参考文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 韵勤柏;高容量型锂二次电池负极材料与电极的结构设计和制备[D];清华大学;2016年
本文编号：2640136
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