复合过渡金属基功能材料的设计制备及储锂性能研究
发布时间：2021-10-06 21:59
由于具有能量密度高、循环寿命长和对环境无污染等优点,锂离子电池逐渐被认为是最具有发展前景的能量存储转换技术之一。石墨因其有着良好的稳定性被广泛应用于锂离子电池负极中,但是理论比容量(372 mAh·g-1)较低,已无法满足一些高能量密度领域的需求。因此,研发一种具有高比容量、环境友好且低成本的锂离子电池负极材料变得十分重要。其中,过渡金属氧化物因其高可逆容量和来源丰富等优势引起了研究人员的广泛关注。然而,过渡金属氧化物存在着导电性差、循环稳定性差和首次不可逆容量损失高等缺陷。因此,我们需要通过形貌调控、引入碳材料和构筑复合材料等方法来改善上述缺陷。金属有机骨架化合物（MOFs）具有高的比表面积和多孔径分布等特点,被认为是碳材料和金属氧化物及其复合材料的理想模板。基于此,本文引入MOFs为模板,以其热处理后得到的碳骨架和金属氧化物,构筑了三种过渡金属基复合材料,然后对其结构和电化学性能进行了探究。1.设计并制备了一种新型的Co3V2O8@HCB复合材料,作为锂离子电池的混合阳极材料。利用液相法制备得到...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理
济南大学硕士学位论文5图1.2扫描电镜图：(a)Li4Ti5O12,(b)g-C3N4,(c)Li4Ti5O12/g-C3N41.3.3合金型负极材料相比于嵌锂型负极材料，合金型负极材料M（M=Si、Sn、Ge等）可以通过与多个Li+发生反应形成LixM，具有较高的理论容量的优势，但也存在着充放电过程中体积膨胀大、材料易粉化，导致容量衰减快、循环稳定性差以及倍率性能差等缺点[36-38]。通过材料纳米化以及与其它储锂材料进行二元或者多元复合，缓解体积膨胀效应来解决这些问题。本文主要介绍硅基和锡基负极材料。1.3.3.1硅基负极材料硅基负极材料（Silicon）是锂离子电池负极材料领域中具有最高的质量比容量（4200mAh·g-1，Li22Si5）和体积比容量（9786mAh·cm-3）的负极材料[39,40]。硅元素是地壳中含量第二高的元素，价低低廉，无污染，因此，Si元素及其衍生材料被认为是高能量锂离子电池极具潜力的电极材料，硅基材料也已经被工厂大量开始使用。不幸的是，硅基材料存在着几个缺点：(a)电解液分解产生的HF会对硅负极产生腐蚀作用；(b)硅负极在大倍率电流速率下的放电比容量较低；(c)在充放电过程中的超高体积膨胀引起的材料粉化和容量快速衰减，严重阻碍其广泛应用[41,42]。研究工作者通过碳包覆、纳米化和合金化等改性方式来改善这些问题[43-45]。例如，JuLien等[46]通过一步激光热解反应首次合成了碳覆盖的硅纳米离子（Si@C），如图1.3b所示，Si@C纳米颗粒的碳涂层包含了整个硅团聚体，碳涂层的存在避免了Si与电解质间的接触，大大提升了Si的可逆容量。电化学测试结果表明，Si@C在经过几次循环后，具有出色的稳定性，在电流速率为C/10时显示出了2400mAh·g-1的高且稳定的放电容量；在2C的高充放电速率下，可以循环500次，容量高达500mAh·g-1。
复合过渡金属基功能材料的设计制备及储锂性能研究6图1.3(a)硅和(b)硅@碳复合纳米粒子的透射电镜图像；(c)硅和(d)硅@碳复合纳米粒子的高倍透射电镜图像还有，Wang等人[47]合成出了微米级多孔Si/SiO2/C复合材料，如图1.4所示，Si在整个球形珊瑚状多孔结构中均匀分布，具有保持结构框架稳定的作用。SiO2和C的双层结构对于保持电极完整性也有较大的作用，在0.1A·g-1的电流密度下循环100圈后仍有929.2mAh·g-1的放电容量；在经过3A·g-1的大电流密度下充放电后仍能保持381.9mAh·g-1的放电容量，显示出了优异的循环稳定性和良好的高速率循环后的容量恢复能力。图1.4多孔Si/SiO2/C复合材料的制备过程
【参考文献】：
期刊论文
[1]传统能源结构转型和新能源发展的必然趋势[J]. 邓欢. 法制与社会. 2019(10)
[2]纳米结构过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料（英文）[J]. 张晶晶,余爱水. Science Bulletin. 2015(09)
[3]新能源材料的研究进展探究[J]. 付浪. 科技风. 2012(12)
[4]锂离子电池碳负极材料研究进展[J]. 孙学亮,秦秀娟,卜立敏,吴伟. 有色金属. 2011(02)
本文编号：3420819
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理
济南大学硕士学位论文5图1.2扫描电镜图：(a)Li4Ti5O12,(b)g-C3N4,(c)Li4Ti5O12/g-C3N41.3.3合金型负极材料相比于嵌锂型负极材料，合金型负极材料M（M=Si、Sn、Ge等）可以通过与多个Li+发生反应形成LixM，具有较高的理论容量的优势，但也存在着充放电过程中体积膨胀大、材料易粉化，导致容量衰减快、循环稳定性差以及倍率性能差等缺点[36-38]。通过材料纳米化以及与其它储锂材料进行二元或者多元复合，缓解体积膨胀效应来解决这些问题。本文主要介绍硅基和锡基负极材料。1.3.3.1硅基负极材料硅基负极材料（Silicon）是锂离子电池负极材料领域中具有最高的质量比容量（4200mAh·g-1，Li22Si5）和体积比容量（9786mAh·cm-3）的负极材料[39,40]。硅元素是地壳中含量第二高的元素，价低低廉，无污染，因此，Si元素及其衍生材料被认为是高能量锂离子电池极具潜力的电极材料，硅基材料也已经被工厂大量开始使用。不幸的是，硅基材料存在着几个缺点：(a)电解液分解产生的HF会对硅负极产生腐蚀作用；(b)硅负极在大倍率电流速率下的放电比容量较低；(c)在充放电过程中的超高体积膨胀引起的材料粉化和容量快速衰减，严重阻碍其广泛应用[41,42]。研究工作者通过碳包覆、纳米化和合金化等改性方式来改善这些问题[43-45]。例如，JuLien等[46]通过一步激光热解反应首次合成了碳覆盖的硅纳米离子（Si@C），如图1.3b所示，Si@C纳米颗粒的碳涂层包含了整个硅团聚体，碳涂层的存在避免了Si与电解质间的接触，大大提升了Si的可逆容量。电化学测试结果表明，Si@C在经过几次循环后，具有出色的稳定性，在电流速率为C/10时显示出了2400mAh·g-1的高且稳定的放电容量；在2C的高充放电速率下，可以循环500次，容量高达500mAh·g-1。
复合过渡金属基功能材料的设计制备及储锂性能研究6图1.3(a)硅和(b)硅@碳复合纳米粒子的透射电镜图像；(c)硅和(d)硅@碳复合纳米粒子的高倍透射电镜图像还有，Wang等人[47]合成出了微米级多孔Si/SiO2/C复合材料，如图1.4所示，Si在整个球形珊瑚状多孔结构中均匀分布，具有保持结构框架稳定的作用。SiO2和C的双层结构对于保持电极完整性也有较大的作用，在0.1A·g-1的电流密度下循环100圈后仍有929.2mAh·g-1的放电容量；在经过3A·g-1的大电流密度下充放电后仍能保持381.9mAh·g-1的放电容量，显示出了优异的循环稳定性和良好的高速率循环后的容量恢复能力。图1.4多孔Si/SiO2/C复合材料的制备过程
【参考文献】：
期刊论文
[1]传统能源结构转型和新能源发展的必然趋势[J]. 邓欢. 法制与社会. 2019(10)
[2]纳米结构过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料（英文）[J]. 张晶晶,余爱水. Science Bulletin. 2015(09)
[3]新能源材料的研究进展探究[J]. 付浪. 科技风. 2012(12)
[4]锂离子电池碳负极材料研究进展[J]. 孙学亮,秦秀娟,卜立敏,吴伟. 有色金属. 2011(02)
本文编号：3420819
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