基于过渡金属化合物微纳米材料的锂离子电池的研制
发布时间：2021-11-26 23:41
商业化石墨负极材料理论容量低、倍率性能差,在一定程度上阻碍了锂离子电池的进一步应用。过渡金属化合物具有能量密度高、环境友好、成本低的优点,被认为是下一代锂离子电池理想的负极材料。然而,过渡金属化合物在充放电过程中体积变化大且导电性差的缺陷限制了其商业化开发应用。通过合理设计和构筑具有特殊结构和形貌的复合材料可以有效地改善其电化学性能。本论文中,设计并构筑了Mn3O4/CNFs复合材料、CNFs@MnO2复合材料、CoxMn（3-x）O4/CNFs复合材料以及Cu/CuO自支撑电极,并对其结构、形貌和电化学性能进行了深入研究。具体内容如下:1.采用电纺技术和原位生长法以及后续多步热处理相结合的方法制备了多孔Mn3O4/CNFs复合材料。将其作为锂离子电池负极材料时,Mn3O4/CNFs-2电极在0.1A g-1的电流密度下循环400圈后的可逆容量为754 m Ah g
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电池组成(a)柱状电池，(b)方形电池，(c)扣式电池，(d)软包电池[20]
第1章绪论3Batteries,缩写成RCB）[21]。其工作原理如图1.2所示。图1.2锂离子电池工作原理示意图[22]Fig.1.2Schematicillustrationoflithium-ionbatteryreactionmechanism[22]1.2.2锂离子电池负极材料负极材料作为锂离子电池的重要组成构件。充电时，Li+被擒获并存储起来，即将外部的功以能量的形式存储在电池中。放电时，Li+脱出并向正极迁移，即电池释放能量对外做功的过程。LIBs的储锂能力由负极材料与Li+反应的可逆能力决定。高性能LIBs负极材料需具有优异的可逆储锂性能，以及较低的还原氧化电位。同时考虑到其广泛应用，负极材料还应该具有丰富的储量、较低的成本以及环境友好等特点。依据储锂机理和电化学性能可以将负极材料分为三类，分别是：1.嵌入型负极材料。例如碳材料[23]、二氧化钛（TiO2）和钛酸锂（Li4Ti5O12）[24]等；2.合金型负极材料。例如硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铝（Al）、铋（Bi）、二氧化锡（SnO2）等[25]；3.转换型负极材料。例如过渡金属化合物（MXy，其中M为金属元素，X为O、N、S和P等元素）[26]。图1.3表明了这三种负极材料的反应机制。嵌入型负极材料是指Li+在电极材料中可逆的嵌入和脱出，且结构不发生显著的变化的一类负极材料，其具有良好的循环稳定性。石墨负极是目前应用最广且商业化程度最大的负极材料。合金型负极材料与Li+发生可逆的合金化反应形成锂合金。储锂电位较低以及理论比容量高等优势使合金型负极材料得到广泛关注[28]。转换型负极材料与Li+反应生成金属单质和氧化锂，反应方程式如下：MOx+2xLi++2xe-M+xLi2O。由于其储量丰富、成本低、环境友好以及具有较高的理论比容量等优势在LIBs负极材料方面具有无限的应用潜力。
第1章绪论4图1.3锂离子电池三种负极材料反应机制示意图[27]Fig.1.3SchematicillustrationofthereactionmechanismsofthreetypicalanodematerialsforLIBs[27]1.3过渡金属化合物负极材料研究进展过渡金属化合物具有储量丰富、成本低、环境友好以及具有较高的理论比容量等优点而受到广泛关注，被认为是下一代LIBs负极材料最有力的竞选者[29,30]。但其在充放电循环过程中表现出较差的循环稳定性以及大电流充放电性能，这是因为一下几个因素：1.导电性较差。不利于电子的传输以及电化学反应动力学，导致大电流充放电性能差；2.体积变化大。在Li+嵌入脱出过程中体积膨胀严重，造成较大的体积应力，致使活性材料粉化并从集流体上脱离，电极破坏，导致容量迅速衰减；3.颗粒团聚现象严重。活性物质粉化产生纳米尺寸的金属颗粒，继续进行反复的充放电测试，纳米尺寸的粒子发生团聚，致使活性物质变少，活性位点减少，容量衰减。为解决过渡金属化合物循环稳定性差的问题，越来越多研究团队的研究重点集中在调整尺寸、结构以及组成等方面。具体解决措施为：缩小颗粒尺寸，设计并构筑具有微纳米结构的金属化合物与碳的复合材料[31-33]。缩小颗粒尺寸可以提供充足的活性位点，增大电极与电解液的有效接触面积，进而缩短Li+的扩散路径，加快反应速率，提高电化学反应性能。同时具有特殊微纳米结构的材料能够诱发新的储锂机制。与碳材料复合可以增强电极的电子传输能力，提高电子传输速率，进而增强反应动力学，提高电极的大电流充放电性能。另外，在金属基质上负载过渡金属化合物材料作为自支撑电极可以有效的提高过渡金属化合物的电化学性能。过渡金属化合物材料与金属基底紧密接触，可以构成电子传输路径，减小接触电阻，有利于加快电化学反
本文编号：3521153
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电池组成(a)柱状电池，(b)方形电池，(c)扣式电池，(d)软包电池[20]
第1章绪论3Batteries,缩写成RCB）[21]。其工作原理如图1.2所示。图1.2锂离子电池工作原理示意图[22]Fig.1.2Schematicillustrationoflithium-ionbatteryreactionmechanism[22]1.2.2锂离子电池负极材料负极材料作为锂离子电池的重要组成构件。充电时，Li+被擒获并存储起来，即将外部的功以能量的形式存储在电池中。放电时，Li+脱出并向正极迁移，即电池释放能量对外做功的过程。LIBs的储锂能力由负极材料与Li+反应的可逆能力决定。高性能LIBs负极材料需具有优异的可逆储锂性能，以及较低的还原氧化电位。同时考虑到其广泛应用，负极材料还应该具有丰富的储量、较低的成本以及环境友好等特点。依据储锂机理和电化学性能可以将负极材料分为三类，分别是：1.嵌入型负极材料。例如碳材料[23]、二氧化钛（TiO2）和钛酸锂（Li4Ti5O12）[24]等；2.合金型负极材料。例如硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、铝（Al）、铋（Bi）、二氧化锡（SnO2）等[25]；3.转换型负极材料。例如过渡金属化合物（MXy，其中M为金属元素，X为O、N、S和P等元素）[26]。图1.3表明了这三种负极材料的反应机制。嵌入型负极材料是指Li+在电极材料中可逆的嵌入和脱出，且结构不发生显著的变化的一类负极材料，其具有良好的循环稳定性。石墨负极是目前应用最广且商业化程度最大的负极材料。合金型负极材料与Li+发生可逆的合金化反应形成锂合金。储锂电位较低以及理论比容量高等优势使合金型负极材料得到广泛关注[28]。转换型负极材料与Li+反应生成金属单质和氧化锂，反应方程式如下：MOx+2xLi++2xe-M+xLi2O。由于其储量丰富、成本低、环境友好以及具有较高的理论比容量等优势在LIBs负极材料方面具有无限的应用潜力。
第1章绪论4图1.3锂离子电池三种负极材料反应机制示意图[27]Fig.1.3SchematicillustrationofthereactionmechanismsofthreetypicalanodematerialsforLIBs[27]1.3过渡金属化合物负极材料研究进展过渡金属化合物具有储量丰富、成本低、环境友好以及具有较高的理论比容量等优点而受到广泛关注，被认为是下一代LIBs负极材料最有力的竞选者[29,30]。但其在充放电循环过程中表现出较差的循环稳定性以及大电流充放电性能，这是因为一下几个因素：1.导电性较差。不利于电子的传输以及电化学反应动力学，导致大电流充放电性能差；2.体积变化大。在Li+嵌入脱出过程中体积膨胀严重，造成较大的体积应力，致使活性材料粉化并从集流体上脱离，电极破坏，导致容量迅速衰减；3.颗粒团聚现象严重。活性物质粉化产生纳米尺寸的金属颗粒，继续进行反复的充放电测试，纳米尺寸的粒子发生团聚，致使活性物质变少，活性位点减少，容量衰减。为解决过渡金属化合物循环稳定性差的问题，越来越多研究团队的研究重点集中在调整尺寸、结构以及组成等方面。具体解决措施为：缩小颗粒尺寸，设计并构筑具有微纳米结构的金属化合物与碳的复合材料[31-33]。缩小颗粒尺寸可以提供充足的活性位点，增大电极与电解液的有效接触面积，进而缩短Li+的扩散路径，加快反应速率，提高电化学反应性能。同时具有特殊微纳米结构的材料能够诱发新的储锂机制。与碳材料复合可以增强电极的电子传输能力，提高电子传输速率，进而增强反应动力学，提高电极的大电流充放电性能。另外，在金属基质上负载过渡金属化合物材料作为自支撑电极可以有效的提高过渡金属化合物的电化学性能。过渡金属化合物材料与金属基底紧密接触，可以构成电子传输路径，减小接触电阻，有利于加快电化学反
本文编号：3521153
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