钨青铜型Mo 3 Nb 2 O 14 复合氧化物的合成及电化学性能研究
发布时间：2021-11-12 16:00
在面临全球性的能源及环境问题上,需开发新能源材料进行能源的储存和转换。具能量密度高、安全性高、循环性能好的锂离子电池是储能领域应用最广泛的装置。而目前已经商业化的碳类负极材料已经不能满足新型储能器件的要求,因此开发可替代的高安全性,高容量的负极材料是发展高性能储能装置的关键。钨青铜及类钨青铜结构氧化物的结构中存在大量的三元环,四元环和五元环通道,这些通道利于锂离子储存和传输,同时此类材料具有安全的工作电压,在储能负极材料中具有潜在的应用。本论文从材料的晶体结构出发,选取了具有类四方钨青铜结构（TTB）的Mo5O14型氧化物作为研究对象。针对这类过渡金属氧化物电子导电率较差的问题,从材料缺陷及形貌两个方面改善材料的电化学性质,研究氧空位缺陷和纳米形貌对电化学性能的影响。本文的主要研究结果如下:一、采用不同的制备方法合成了多种类TTB结构的Mo5O14型氧化物(Mo1-xMx)5O14（M=V、Nb、Ti、W）,并展...
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的结构图
桂林理工大学硕士学位论文3锂离子电池又被称为摇篮式电池，其工作原理主是充放电原理如图1.2所示，即在正、负极之间锂离子通过电解质进行可逆的嵌入和脱出反应。充电时，外电路的电子从正极传递到负极，同时锂离子从正极材料中脱出通过电解液隔膜插入到负极材料中，此时正极处于贫锂状态，负极处于富锂状态，电能转化为化学能。放电过程正好相反，外电路的电子从负极流向正极，锂离子从负极材料中脱出，经过电解液嵌入正极活性物质晶格中，将化学能转换为电能。以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子二次电池为例，其化学反应式如下[13,14]：正极反应式：LiCoO2充电/放电Li1-xCoO2+xLi++xe-（1.1）负极反应式：C6+xLi++xe-充电/放电LixC6（1.2）总反应式：LiCoO2+C6充电/放电Li1-xCoO2+LixC6（1.3）图1.2锂离子电池的工作原理图。Fig1.2TheworkingprincipleofLIBs.1.2.3锂离子电池的优点和缺点锂离子电池能够商业化并成功运用到人类生活的各方面，因具有诸多的优势，主要有以下几个方面：（1）环境友好型。对环境没有污染，属于绿色能源。（2）比能量高。目前锂离子电池材料的比容量可达到300mAhg-1，故而在便携式电子设备中可得到广泛应用，实现轻量化。（3）工作电压高。其工作电压可到达3.6V以上，甚至能到达4V以上。（4）无记忆效应。锂离子电池可在任何状态进行充电。（5）循环使用寿命长。锂离子电池可循环1200次以上，具有良好的使用经济型。（6）自放电校平均每天的自放电在0.3%以下。（7）较宽的工作温度范围。目前的锂离子电池可在-20℃-60℃之间进行工作。
桂林理工大学硕士学位论文11人采用静电纺丝的制备方法得到了纳米纤维状Nb8W9O47材料[51]，在对其进行表面氨化处理使其具有较好的循环性能，其容量在1C的容量密度下200圈依旧保持在160mAhg-1，如图1.5（a）所示，并且此材料具有较为优异的倍率性能如图1.5（b）所示，在5C的倍率下循环500圈可逆容量保持在135mAhg-1左右。但此方法实验方法操作复杂，得到的样品不能够保证较高的振实密度，不具商业发展前景。（本图源于：YanL,ChengX,YuH,etal.EnergyStorageMaterials,2018,14:159-168.）图1.5（a）Nb8W9O47纳米线的循环性能。（b）Nb8W9O47纳米线从1C到5C的倍率性能。Fig1.5(a)CyclepropertyofNb8W9O47nanowires.(b)RateperformancesofNb8W9O47nanowiresfrom1to5C.在2018年七月由剑桥大学课题组在Nature上报道了具钨青铜结构的氧化物材料W16Nb18O93应用于锂离子电池负极材料，该报道打破传统纳米尺寸材料具有良好的锂离子扩散能力的规则，即使是微米级的材料也具有高倍率的循环性能。如图1.6（a）所示，此材料具有优异的倍率性能，并且该微米级的材料在高达10C（1C=197mAhg-1）的高倍率电流密度下经过1000圈的循环能保持在160mAhg-1，如图1.6（b）所示，这一发现为锂离子负极材料的发展提供了新的方向[52]。此外该报道证明了该结构氧化物锂离子扩散系数，比典型的电极材料（如Li4Ti5O12和LiMn2O4）高几个数量级；多电子氧化还原，铌/钨多面体排列以及快速的固态锂传输导致实现了高的容量和速率性能。同年，由WuquanYe等(a)(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈锂离子电池正极材料[J]. 黄奠坤. 化学工程与装备. 2019(06)
[2]中国锂离子电池产业发展现状及市场发展趋势[J]. 刘彦龙. 电源技术. 2019(02)
[3]锂离子电池负极材料的发展研究[J]. 王曼丽,康敏,刘杨,朱根. 广州化工. 2018(14)
[4]锂离子电池的负极材料的研究状况及未来发展[J]. 王洪飞,谢安清. 当代化工研究. 2018(02)
[5]过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用[J]. 向银域,陈婵,肖天赐,李俊升. 电源技术. 2017(12)
[6]锂离子电池新型负极材料的研究进展[J]. 郑延辉,王明阳,张芬丽,刘玉霞. 河南化工. 2017(09)
[7]锂离子电池的发展现状及展望[J]. 王鹏博,郑俊超. 自然杂志. 2017(04)
[8]钨青铜相和烧绿石相氟化铁作为锂/钠电池正极材料[J]. 曹敦平,尹从岭,张金仓,李驰麟. 科学通报. 2017(09)
[9]高功率锂离子电池软/硬复合碳负极材料[J]. 潘广宏,赵永彬,张开周,康利斌,唐堃. 储能科学与技术. 2017(01)
[10]掺钽钨青铜（TaxWO3）的水热合成及电催化性能[J]. 牟婉君,谢翔,李兴亮,张锐,唐慧,周官宏,魏洪源. 稀有金属材料与工程. 2015(08)
本文编号：3491243
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的结构图
桂林理工大学硕士学位论文3锂离子电池又被称为摇篮式电池，其工作原理主是充放电原理如图1.2所示，即在正、负极之间锂离子通过电解质进行可逆的嵌入和脱出反应。充电时，外电路的电子从正极传递到负极，同时锂离子从正极材料中脱出通过电解液隔膜插入到负极材料中，此时正极处于贫锂状态，负极处于富锂状态，电能转化为化学能。放电过程正好相反，外电路的电子从负极流向正极，锂离子从负极材料中脱出，经过电解液嵌入正极活性物质晶格中，将化学能转换为电能。以LiCoO2为正极材料，石墨为负极材料的锂离子二次电池为例，其化学反应式如下[13,14]：正极反应式：LiCoO2充电/放电Li1-xCoO2+xLi++xe-（1.1）负极反应式：C6+xLi++xe-充电/放电LixC6（1.2）总反应式：LiCoO2+C6充电/放电Li1-xCoO2+LixC6（1.3）图1.2锂离子电池的工作原理图。Fig1.2TheworkingprincipleofLIBs.1.2.3锂离子电池的优点和缺点锂离子电池能够商业化并成功运用到人类生活的各方面，因具有诸多的优势，主要有以下几个方面：（1）环境友好型。对环境没有污染，属于绿色能源。（2）比能量高。目前锂离子电池材料的比容量可达到300mAhg-1，故而在便携式电子设备中可得到广泛应用，实现轻量化。（3）工作电压高。其工作电压可到达3.6V以上，甚至能到达4V以上。（4）无记忆效应。锂离子电池可在任何状态进行充电。（5）循环使用寿命长。锂离子电池可循环1200次以上，具有良好的使用经济型。（6）自放电校平均每天的自放电在0.3%以下。（7）较宽的工作温度范围。目前的锂离子电池可在-20℃-60℃之间进行工作。
桂林理工大学硕士学位论文11人采用静电纺丝的制备方法得到了纳米纤维状Nb8W9O47材料[51]，在对其进行表面氨化处理使其具有较好的循环性能，其容量在1C的容量密度下200圈依旧保持在160mAhg-1，如图1.5（a）所示，并且此材料具有较为优异的倍率性能如图1.5（b）所示，在5C的倍率下循环500圈可逆容量保持在135mAhg-1左右。但此方法实验方法操作复杂，得到的样品不能够保证较高的振实密度，不具商业发展前景。（本图源于：YanL,ChengX,YuH,etal.EnergyStorageMaterials,2018,14:159-168.）图1.5（a）Nb8W9O47纳米线的循环性能。（b）Nb8W9O47纳米线从1C到5C的倍率性能。Fig1.5(a)CyclepropertyofNb8W9O47nanowires.(b)RateperformancesofNb8W9O47nanowiresfrom1to5C.在2018年七月由剑桥大学课题组在Nature上报道了具钨青铜结构的氧化物材料W16Nb18O93应用于锂离子电池负极材料，该报道打破传统纳米尺寸材料具有良好的锂离子扩散能力的规则，即使是微米级的材料也具有高倍率的循环性能。如图1.6（a）所示，此材料具有优异的倍率性能，并且该微米级的材料在高达10C（1C=197mAhg-1）的高倍率电流密度下经过1000圈的循环能保持在160mAhg-1，如图1.6（b）所示，这一发现为锂离子负极材料的发展提供了新的方向[52]。此外该报道证明了该结构氧化物锂离子扩散系数，比典型的电极材料（如Li4Ti5O12和LiMn2O4）高几个数量级；多电子氧化还原，铌/钨多面体排列以及快速的固态锂传输导致实现了高的容量和速率性能。同年，由WuquanYe等(a)(b)
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈锂离子电池正极材料[J]. 黄奠坤. 化学工程与装备. 2019(06)
[2]中国锂离子电池产业发展现状及市场发展趋势[J]. 刘彦龙. 电源技术. 2019(02)
[3]锂离子电池负极材料的发展研究[J]. 王曼丽,康敏,刘杨,朱根. 广州化工. 2018(14)
[4]锂离子电池的负极材料的研究状况及未来发展[J]. 王洪飞,谢安清. 当代化工研究. 2018(02)
[5]过渡金属氧化物在锂离子电池中的应用[J]. 向银域,陈婵,肖天赐,李俊升. 电源技术. 2017(12)
[6]锂离子电池新型负极材料的研究进展[J]. 郑延辉,王明阳,张芬丽,刘玉霞. 河南化工. 2017(09)
[7]锂离子电池的发展现状及展望[J]. 王鹏博,郑俊超. 自然杂志. 2017(04)
[8]钨青铜相和烧绿石相氟化铁作为锂/钠电池正极材料[J]. 曹敦平,尹从岭,张金仓,李驰麟. 科学通报. 2017(09)
[9]高功率锂离子电池软/硬复合碳负极材料[J]. 潘广宏,赵永彬,张开周,康利斌,唐堃. 储能科学与技术. 2017(01)
[10]掺钽钨青铜（TaxWO3）的水热合成及电催化性能[J]. 牟婉君,谢翔,李兴亮,张锐,唐慧,周官宏,魏洪源. 稀有金属材料与工程. 2015(08)
本文编号：3491243
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