仿生结构储能复合材料的合成及其在锂电池中的应用研究
发布时间：2021-06-06 01:34
可充电电池在生产生活中大量应用,其中锂离子电池凭借其能量转化效率高、无记忆效应等优点,受到广泛关注;高理论能量密度的锂硫电池由于其在长距离行驶的电动汽车中的应用前景广阔,有望成为新一代的储能系统。然而,锂电池的电极材料还存在一些不足,限制其进一步发展。例如,锂离子电池需要更高容量的负极材料;锂硫电池正极的硫体积结构变化大、导电性差,多硫化物穿梭效应等问题。本论文以研制新型高性能锂电池电极材料为出发点,深入探索电化学性能构效关系,以及阐明储能增强机制等。主要研究内容和创新点如下:（1）受到自然界的含羞草叶结构启发,通过模板法制备了一种新型的含羞草叶结构的锂离子电池SnO2负极材料。通过密度泛函理论（DFT）计算了由锂化引起的主应力变化,研究发现其在充放电循环过程具有稳定的机械力学性能。同时,采用原位透射电子显微镜技术观察了实时锂化动态过程。储锂性能方面,含羞草叶结构SnO2负极在0.2 C下200次循环后显示出760 mAh g-1的稳定容量,经过四次重复的倍率性能测试后仍保持99%的高容量保持率。（2）基于上述研究成果,...
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCF的形成机理图[96]
安徽师范大学硕士学位论文670wt％，硫的负载量为2.2mgcm-2，在电流密度为0.5C时，300个循环后，提供了974.2mAhg-1的高初始比容量，每个循环的容量衰减为0.12％。在这种复合材料中，由导电AZO颗粒装饰的相互连接的初级碳球提供了快速的电荷传输网络，可以大大增强锂硫电池的反应动力学和倍率性能。图1.2NG/S复合材料的制备工艺示意图[98]。Figure1.2SchematicillustrationoftheprocedureforpreparingtheNG/Scomposite.从这些报道可以看出，仿生结构在锂电池领域是有良好的发展潜力。大量仿生结构在电子和锂离子传输过程中提供足够的空间来缓冲硫的体积膨胀和保持电极稳定结构，特殊的仿生结构可以加速锂离子的扩散，更好储存硫，以减少硫电极的损失。制备方法复杂，构效关系不清楚等问题，是近期需要重点研究解决的问题[100-101]。1.4本文的研究内容与意义对锂电池电极材料的研究现状：1）以锂离子负极为例：过渡金属氧化物作为电极材料，理论容量高，成本低，天然丰富度高，但其固有的低电导率以及在充放电过程中的体积膨胀，造成电极材料结构易坍塌破裂，阻碍了该材料的应用。2）以锂硫电池正极为例方面：硫作为电极材料主要存在硫自身的导电率低、硫正极在充放电过程中的体积变化大，造成硫电极的破裂，以及多硫化物的溶解造成的穿梭效应等问题，现有的研究工作不能很好地同时解决上述问题。针对上述问题，本论文设计合成了一系列新型仿生结构的复合电极材料，并对其储锂性能进行较为深入的研究。独特的仿生结构可以缓冲电极的体积膨胀，导电性好的材料以提高电极的电导率，而对于硫电极来说，仿生结构为更好的负载硫提供了较大的比表面积，同时吸附固定多硫化物，抑制了穿梭效应。具体研究内容有：1）采用模板法制备了一种新型含羞
安徽师范大学硕士学位论文212.3结果与讨论2.3.1表征分析图2.1SnO2材料的XRD图。Figure2.1XRDpatternsoftheSnO2composites.图2.1所示是制备的SnO2的X射线衍射图。可以看到，峰型明显，所有峰均属于SnO2，并与标准JCPDS卡号＃77-0477显示的数据一致，表明该材料是纯净的SnO2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three dimensional porous frameworks for lithium dendrite suppression[J]. Shuyan Ni,Shuangshuang Tan,Qinyou An,Liqiang Mai. Journal of Energy Chemistry. 2020(05)
[2]Recent progress of surface coating on cathode materials for high-performance lithium-ion batteries[J]. Peiyuan Guan,Lu Zhou,Zhenlu Yu,Yuandong Sun,Yunjian Liu,Feixiang Wu,Yifeng Jiang,Dewei Chu. Journal of Energy Chemistry. 2020(04)
[3]Grafting polymeric sulfur onto carbon nanotubes as highly-active cathode for lithium–sulfur batteries[J]. Junfeng Wu,Siyu Ding,Shihai Ye,Chao Lai. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
本文编号：3213320
【文章来源】：安徽师范大学安徽省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SCF的形成机理图[96]
安徽师范大学硕士学位论文670wt％，硫的负载量为2.2mgcm-2，在电流密度为0.5C时，300个循环后，提供了974.2mAhg-1的高初始比容量，每个循环的容量衰减为0.12％。在这种复合材料中，由导电AZO颗粒装饰的相互连接的初级碳球提供了快速的电荷传输网络，可以大大增强锂硫电池的反应动力学和倍率性能。图1.2NG/S复合材料的制备工艺示意图[98]。Figure1.2SchematicillustrationoftheprocedureforpreparingtheNG/Scomposite.从这些报道可以看出，仿生结构在锂电池领域是有良好的发展潜力。大量仿生结构在电子和锂离子传输过程中提供足够的空间来缓冲硫的体积膨胀和保持电极稳定结构，特殊的仿生结构可以加速锂离子的扩散，更好储存硫，以减少硫电极的损失。制备方法复杂，构效关系不清楚等问题，是近期需要重点研究解决的问题[100-101]。1.4本文的研究内容与意义对锂电池电极材料的研究现状：1）以锂离子负极为例：过渡金属氧化物作为电极材料，理论容量高，成本低，天然丰富度高，但其固有的低电导率以及在充放电过程中的体积膨胀，造成电极材料结构易坍塌破裂，阻碍了该材料的应用。2）以锂硫电池正极为例方面：硫作为电极材料主要存在硫自身的导电率低、硫正极在充放电过程中的体积变化大，造成硫电极的破裂，以及多硫化物的溶解造成的穿梭效应等问题，现有的研究工作不能很好地同时解决上述问题。针对上述问题，本论文设计合成了一系列新型仿生结构的复合电极材料，并对其储锂性能进行较为深入的研究。独特的仿生结构可以缓冲电极的体积膨胀，导电性好的材料以提高电极的电导率，而对于硫电极来说，仿生结构为更好的负载硫提供了较大的比表面积，同时吸附固定多硫化物，抑制了穿梭效应。具体研究内容有：1）采用模板法制备了一种新型含羞
安徽师范大学硕士学位论文212.3结果与讨论2.3.1表征分析图2.1SnO2材料的XRD图。Figure2.1XRDpatternsoftheSnO2composites.图2.1所示是制备的SnO2的X射线衍射图。可以看到，峰型明显，所有峰均属于SnO2，并与标准JCPDS卡号＃77-0477显示的数据一致，表明该材料是纯净的SnO2。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Three dimensional porous frameworks for lithium dendrite suppression[J]. Shuyan Ni,Shuangshuang Tan,Qinyou An,Liqiang Mai. Journal of Energy Chemistry. 2020(05)
[2]Recent progress of surface coating on cathode materials for high-performance lithium-ion batteries[J]. Peiyuan Guan,Lu Zhou,Zhenlu Yu,Yuandong Sun,Yunjian Liu,Feixiang Wu,Yifeng Jiang,Dewei Chu. Journal of Energy Chemistry. 2020(04)
[3]Grafting polymeric sulfur onto carbon nanotubes as highly-active cathode for lithium–sulfur batteries[J]. Junfeng Wu,Siyu Ding,Shihai Ye,Chao Lai. Journal of Energy Chemistry. 2020(03)
本文编号：3213320
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