锂/钠离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-06-19 19:43
由于具有能量密度高、循环寿命长、安全性能好等优点,锂离子电池被广泛地应用于电子产品和电动汽车等领域。然而,商业化的锂离子电池存在形状固定、可伸缩性差和难以微型化等缺点,不能满足日益增长的柔性化、微型化的新型电子器件的储能需求。此外,地壳中锂含量不丰富且分布不均匀,使得锂离子电池的成本急剧增加,大大地限制了锂离子电池在电网储能等大型储能领域的应用。因此,开发具备良好电化学性能的用于柔性化、微型化电子器件的锂离子电池和寻找可以替代锂离子电池用于大型储能领域的可充电电池亟待探索研究。相比于传统的电极材料,自支撑薄膜电极材料直接牢固地生长在集流体上,弯折时不易与集流体分离,可以在一定程度上改善传统涂布法难以制备柔性锂离子电池的缺点。此外,由自支撑电极材料制备的薄膜锂离子电池不但具有较高的能量密度和可靠的安全性,而且可以根据需求设计成任意形状。由于具有以上优点,薄膜锂离子电池更加适用于柔性和微型化电子器件的储能要求。另外一方面,与锂元素相比,钠元素在地壳中的储量更加丰富,低廉的成本以及相似的理化性质,使其更适合于电网储能等对能量密度和成本控制有较高要求的储能设备。近年来,钠离子电池的研究发展迅速...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理示意图
青岛大学硕士学位论文3前，过渡金属氧化物、有机分子、聚合物和聚阴离子类材料是研究最多的钠离子电池正极材料[5]。研究较多的负极材料有碳材料、金属化合物（金属氧化物、硫化物、硒化物等）、合金材料等[6-8]。图1.2钠离子电池的工作原理示意图1.2.2锂/钠离子电池负极材料存在的问题锂/钠离子电池存在电极材料的选择、充放电过程的可逆性、电解液与电极材料存在副反应等问题需要解决。根据电极材料的反应机理不同，通常将电极材料分为嵌入型、转化型和合金型。以碳基材料为代表的嵌入型负极材料在首圈放电时会形成较厚的固态电解质膜（SEI），导致首圈库伦效率低。以金属氧化物、金属硫化物为代表的转化型负极材料的电子电导性差，充放电过程中会产生不可逆的体积畸变，极大地影响电池的循环稳定性。以硅基、锡基为代表的合金型负极材料导电性较差，首圈不可逆容量大且合金化时存在巨大的体积膨胀造成电极材料循环性能的急剧下降。只有解决以上问题才能改善锂/钠离子电池的电化学性能，进而实现其商业化。1.3锂离子电池负极材料根据储锂机制的不同，人们将锂离子电池负极材料分为嵌入型、转化型和合金型三类[9]。
青岛大学硕士学位论文41.3.1嵌入型负极材料嵌入型负极材料多为具有层状结构或三维网状结构的纳米材料，在充放电过程中，锂离子在层间进行可逆的嵌入/脱出反应。常见的嵌入型负极材料为碳基材料和二氧化钛。图1.3锂离子电池碳基负极材料的分类如图1.3所示，碳基负极材料一般分为石墨类和无定型碳类两大类[10]。由于结晶度和结构存在差异，石墨和无定型碳的物化性质存在明显的差异。1.3.1.1石墨类碳材料作为典型的层状结构材料，石墨的层间距较小（0.335nm），在进行大电流密度充放电时，Li+的扩散速率较小从而导致Li+不易嵌入与脱出，造成可逆容量的衰减以及循环性能的下降[11]。此外，在充放电过程中，石墨的层间距会发生较大的变化，Li+嵌入石墨中形成LixC6时的层间距为0.37nm，同时容易发生溶剂共嵌反应造成石墨层的脱落，从而严重地影响循环性能及使用寿命[12]。由图1.3可知，石墨类碳材料分为天然石墨和人工石墨两大类。由于天然石墨制备的电极片在组装成电池时会发生溶剂共嵌现象，导致充放电过程中天然石墨发生脱落从而影响电化学性能。常用的人工石墨是经过改性的石墨，通过掺杂杂原子、改变结构形貌等方法可以有效地改善电化学性能。1.3.1.2无定型碳类碳材料由图1.3可知，无定形碳材料分为软碳和硬碳两大类。无定形碳材料作为锂离子电池负极材料时的容量明显高于石墨电极的理论容量，对此，科研人员提出了三种储锂机制来解释该现象：Li2储锂机理[13]、单层石墨片储锂机理[14]、微孔储锂机
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth of SnO2 Nanoflowers on N-doped Carbon Nanofibers as Anode for Li-and Na-ion Batteries[J]. Jiaojiao Liang,Chaochun Yuan,Huanhuan Li,Kai Fan,Zengxi Wei,Hanqi Sun,Jianmin Ma. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[2]钠离子电池碳基负极材料的研究进展[J]. 黄剑锋,王彩薇,李嘉胤,曹丽云,朱东岳,席婷. 材料导报. 2017(21)
[3]全固态薄膜锂离子电池[J]. 邵思远,徐昱. 广东化工. 2017(02)
[4]硅基材料的纳米结构设计和复合化及其在锂离子电池负极材料中的应用[J]. 王明月,黄英,黄海舰,陈雪芳,张娜. 中国科技论文. 2015(06)
[5]石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用[J]. 周冠蔚,何雨石,杨晓伟,高鹏飞,廖小珍,马紫峰. 化学进展. 2012(Z1)
[6]锂离子电池硅基负极材料研究进展[J]. 杨绍斌,刘远鹏. 材料导报. 2011(17)
[7]石墨烯的化学气相沉积法制备[J]. 任文才,高力波,马来鹏,成会明. 新型炭材料. 2011(01)
[8]全固态薄膜锂电池及薄膜电极材料研究进展[J]. 刘震,吴锋,王芳,陈实. 功能材料. 2006(08)
[9]锂离子电池锡基负极材料的改性研究进展[J]. 林克芝,王晓琳,徐艳辉. 电源技术. 2005(01)
[10]脉冲激光沉积薄膜技术研究新进展[J]. 敖育红,胡少六,龙华,徐业斌,王又青. 激光技术. 2003(05)
本文编号：3238424
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理示意图
青岛大学硕士学位论文3前，过渡金属氧化物、有机分子、聚合物和聚阴离子类材料是研究最多的钠离子电池正极材料[5]。研究较多的负极材料有碳材料、金属化合物（金属氧化物、硫化物、硒化物等）、合金材料等[6-8]。图1.2钠离子电池的工作原理示意图1.2.2锂/钠离子电池负极材料存在的问题锂/钠离子电池存在电极材料的选择、充放电过程的可逆性、电解液与电极材料存在副反应等问题需要解决。根据电极材料的反应机理不同，通常将电极材料分为嵌入型、转化型和合金型。以碳基材料为代表的嵌入型负极材料在首圈放电时会形成较厚的固态电解质膜（SEI），导致首圈库伦效率低。以金属氧化物、金属硫化物为代表的转化型负极材料的电子电导性差，充放电过程中会产生不可逆的体积畸变，极大地影响电池的循环稳定性。以硅基、锡基为代表的合金型负极材料导电性较差，首圈不可逆容量大且合金化时存在巨大的体积膨胀造成电极材料循环性能的急剧下降。只有解决以上问题才能改善锂/钠离子电池的电化学性能，进而实现其商业化。1.3锂离子电池负极材料根据储锂机制的不同，人们将锂离子电池负极材料分为嵌入型、转化型和合金型三类[9]。
青岛大学硕士学位论文41.3.1嵌入型负极材料嵌入型负极材料多为具有层状结构或三维网状结构的纳米材料，在充放电过程中，锂离子在层间进行可逆的嵌入/脱出反应。常见的嵌入型负极材料为碳基材料和二氧化钛。图1.3锂离子电池碳基负极材料的分类如图1.3所示，碳基负极材料一般分为石墨类和无定型碳类两大类[10]。由于结晶度和结构存在差异，石墨和无定型碳的物化性质存在明显的差异。1.3.1.1石墨类碳材料作为典型的层状结构材料，石墨的层间距较小（0.335nm），在进行大电流密度充放电时，Li+的扩散速率较小从而导致Li+不易嵌入与脱出，造成可逆容量的衰减以及循环性能的下降[11]。此外，在充放电过程中，石墨的层间距会发生较大的变化，Li+嵌入石墨中形成LixC6时的层间距为0.37nm，同时容易发生溶剂共嵌反应造成石墨层的脱落，从而严重地影响循环性能及使用寿命[12]。由图1.3可知，石墨类碳材料分为天然石墨和人工石墨两大类。由于天然石墨制备的电极片在组装成电池时会发生溶剂共嵌现象，导致充放电过程中天然石墨发生脱落从而影响电化学性能。常用的人工石墨是经过改性的石墨，通过掺杂杂原子、改变结构形貌等方法可以有效地改善电化学性能。1.3.1.2无定型碳类碳材料由图1.3可知，无定形碳材料分为软碳和硬碳两大类。无定形碳材料作为锂离子电池负极材料时的容量明显高于石墨电极的理论容量，对此，科研人员提出了三种储锂机制来解释该现象：Li2储锂机理[13]、单层石墨片储锂机理[14]、微孔储锂机
【参考文献】：
期刊论文
[1]Growth of SnO2 Nanoflowers on N-doped Carbon Nanofibers as Anode for Li-and Na-ion Batteries[J]. Jiaojiao Liang,Chaochun Yuan,Huanhuan Li,Kai Fan,Zengxi Wei,Hanqi Sun,Jianmin Ma. Nano-Micro Letters. 2018(02)
[2]钠离子电池碳基负极材料的研究进展[J]. 黄剑锋,王彩薇,李嘉胤,曹丽云,朱东岳,席婷. 材料导报. 2017(21)
[3]全固态薄膜锂离子电池[J]. 邵思远,徐昱. 广东化工. 2017(02)
[4]硅基材料的纳米结构设计和复合化及其在锂离子电池负极材料中的应用[J]. 王明月,黄英,黄海舰,陈雪芳,张娜. 中国科技论文. 2015(06)
[5]石墨烯及其复合材料在锂离子电池中的应用[J]. 周冠蔚,何雨石,杨晓伟,高鹏飞,廖小珍,马紫峰. 化学进展. 2012(Z1)
[6]锂离子电池硅基负极材料研究进展[J]. 杨绍斌,刘远鹏. 材料导报. 2011(17)
[7]石墨烯的化学气相沉积法制备[J]. 任文才,高力波,马来鹏,成会明. 新型炭材料. 2011(01)
[8]全固态薄膜锂电池及薄膜电极材料研究进展[J]. 刘震,吴锋,王芳,陈实. 功能材料. 2006(08)
[9]锂离子电池锡基负极材料的改性研究进展[J]. 林克芝,王晓琳,徐艳辉. 电源技术. 2005(01)
[10]脉冲激光沉积薄膜技术研究新进展[J]. 敖育红,胡少六,龙华,徐业斌,王又青. 激光技术. 2003(05)
本文编号：3238424
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