高比容量锂离子电池用钛酸锂负极材料的制备研究

发布时间：2017-03-27 11:12

  本文关键词：高比容量锂离子电池用钛酸锂负极材料的制备研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：石墨是商用锂离子电池负极的主要材料,其理论容量为372mAh/g。由于该类材料循环稳定性较差、能量密度较低,不能满足人们对大比容量储能设备的要求;而且在高倍率和过充情况下形成的锂枝晶容易刺破隔膜,造成电池短路而发生爆炸,存在较大的安全隐患。因此开发出安全性高、能量密度大、倍率性能好、循环稳定性好、使用寿命长的锂离子电池是非常必要的。尖晶石型钛酸锂被称为“零应变”材料,并且具有非常平稳的充放电平台,被认为是一种理想的负极材料;硅具有非常高的理论比容量,是取代石墨作为大容量负极材料的理想替代材料之一。为提高材料的电化学性能,本文以纳米化与复合材料新型结构复合为出发点,系统的研究水热法合成纳米钛酸锂的影响因素,并采用化学气相沉积法制备硅碳复合纳米管阵列。主要研究内容及结果如下:(1)静态水热法合成钛酸锂纳米颗粒及其性能表征。结果表明,钛锂源比例、pH、反应温度、反应时间、煅烧温度等因素对钛酸锂的合成有影响作用。其中,煅烧温度对钛酸锂的合成影响作用最大。在800oC热处理后得到的钛酸锂粒径均一、结晶度高、纯度高;经过100次循环后库伦效率几乎为100%,每次容量衰减率小于0.35%,具有较好的容量保持率。通过对粒径的控制与分析,该方法合成钛酸锂的机理是原位置换反应。(2)动态水热法合成钛酸锂纳米管。在静态水热法的基础上,加入磁搅拌驱动力,来合成大比表面积长钛酸锂纳米管。该材料具有较高的电化学反应活性,在0.5C电流密度下,首次放电比容量达到173.1 mAh/g;在5C电流密度时容量仍保持为135 mAh/g,具有较好的倍率性能;经过100个循环后容量仍为166.8mAh/g,库伦效率在10个循环后保持稳定并接近100%。(3)采用化学气相沉积法合成硅碳纳米管并与钛酸锂复合。以阳极氧化铝为模板,化学气相沉积法合成硅碳复合纳米管阵列,通过调控硅碳源比例,调节管径和壁厚可控的纳米管阵列。复合纳米管外侧碳传输电荷,内侧的空隙缓冲硅体积膨胀,提高电池的循环性能和稳定性。在0.5C时首放比容量为1700mAh/g,达到理论比容量,50次循环后比容量仍保持在1300mAh/g以上。
【关键词】：锂离子电池 钛酸锂 高比容量 硅碳材料 复合材料
【学位授予单位】：青海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池研究现状10-12
• 1.2.1 锂离子电池的研究进展10-11
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理11-12
• 1.3 锂离子电池电极材料12-20
• 1.3.1 碳类材料13-15
• 1.3.2 钛酸锂15-16
• 1.3.3 过渡金属氧化物材料16
• 1.3.4 氮化物材料16
• 1.3.5 合金类材料16-20
• 1.4 钛酸锂的制备方法20-22
• 1.4.1 高温固相合成20
• 1.4.2 微波辅助20
• 1.4.3 溶胶-凝胶20-21
• 1.4.4 水热溶剂热合成21-22
• 1.4.5 其他合成方法22
• 1.5 本论文选题依据与研究内容22-24
• 1.5.1 论文选题依据22-23
• 1.5.2 研究内容23-24
• 第2章 实验原料、仪器及表征方法24-29
• 2.1 实验原料24-25
• 2.2 实验仪器25
• 2.3 表征方法及测试设备25-29
• 2.3.1 X射线衍射晶体结构分析（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 比表面积测试（BET）26-27
• 2.3.5 恒电流充放电27
• 2.3.6 交流阻抗谱（EIS）27-29
• 第3章 静态水热法合成钛酸锂纳米颗粒及其电化学性能研究29-37
• 3.1 引言29
• 3.2 静止水热法合成钛酸锂的方法29-30
• 3.3 纳米钛酸锂的物理表征30-33
• 3.3.1 纳米钛酸锂的结构分析30-32
• 3.3.2 纳米钛酸锂的形貌分析32-33
• 3.4 钛酸锂电极材料的电化学性能研究33-36
• 3.4.1 循环性能测试34-35
• 3.4.2 倍率性能测试35-36
• 3.4.3 阻抗分析36
• 3.5 小结36-37
• 第4章 磁驱动搅拌动态合成大比表面积钛酸锂及其电化学性能研究37-47
• 4.1 引言37
• 4.2 动态驱动合成钛酸锂方法37-38
• 4.3 纳米钛酸锂的物理表征38-42
• 4.3.1 纳米钛酸锂的形貌与组成分析38-39
• 4.3.2 纳米钛酸锂的结构分析39-41
• 4.3.3 纳米钛酸锂的结构分析41-42
• 4.4 钛酸锂电极材料的电化学性能研究42-45
• 4.4.1 循环性能测试42-44
• 4.4.2 倍率性能测试44
• 4.4.3 阻抗分析44-45
• 4.5 小结45-47
• 第5章 碳-硅-碳纳米管阵列的制备及其电化学性能研究47-51
• 5.1 引言47-48
• 5.2 碳-硅-碳纳米管的制备方法48
• 5.3 碳-硅-碳纳米管的表征48-49
• 5.4 碳-硅-碳纳米管的电化学性能研究49-50
• 5.4.1 循环性能测试49-50
• 5.4.2 倍率性能测试50
• 5.5 小结50-51
• 第6章 结论51-52
• 参考文献52-60
• 致谢60-61
• 作者简介61

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