离子液体电沉积Ga、Si纳米颗粒与Ge纳米结构及其在锂离子电池中的应用

发布时间：2022-08-23 10:36

　　锂离子电池由于具有循环寿命长、自放电率低、工作电压高等优点,已成为便携式设备和工业储能系统中最重要的能源。由于传统石墨电极材料只有372 mAh/g的低可逆比容量,难以满足未来移动设备需求。因此利用Ga、Si、Ge等材料替代石墨来开发高容量的锂合金电极是一个世界性的趋势。然而,这些材料所面临的共同的问题是充放电过程中大的体积变化导致的电极材料破损,影响了电池的性能。所以本文以这个问题为出发点,设计了两套实验装置,制备了Ga、Si纳米颗粒及Ge纳米结构,研究了纳米材料的生长机理及锂电池性能。设计了一套室温激光辅助离子液体电沉积纳米材料的设备。用脉冲激光辐照[EMIm]Tf₂N离子液体发现,激光辐照能够减缓离子液体中[EMIm]⁺阳离子的分解。激光辐照还影响了Ga和Si在电极表面的反应过程,使循环伏安（CV）曲线中的还原峰电位正移,还原峰电流增大,通过分析得知峰位的移动是由于激光热效应的作用。Ga纳米球及Si团簇成功被制备出来。激光辐照使Ga纳米球粒径变大,直径超过1000nm,呈现出团聚状态,并且有垂直基片生长的趋势;Si沉积物的表面形貌相比于... 

【文章页数】：110 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池基本概念
        1.2.1 锂离子电池发展简介
        1.2.2 锂离子电池工作原理
    1.3 锂离子电池Ge负极材料的研究进展
        1.3.1 Ge负极材料简介
        1.3.2 Ge纳米颗粒负极的研究进展
        1.3.3 Ge纳米线负极的研究进展
        1.3.4 Ge纳米管及三维有序大孔结构负极研究进展
        1.3.5 Ge合金电极
    1.4 离子液体中电沉积半导体材料
        1.4.1 离子液体简介
        1.4.2 离子液体在电化学中的应用
        1.4.3 离子液体中沉积半导体材料
    1.5 激光辅助电沉积
        1.5.1 激光简介
        1.5.2 激光辅助电沉积技术
    1.6 本文的主要研究内容
第二章 实验材料及测试方法
    2.1 实验药品与设备
        2.1.1 实验药品
        2.1.2 实验仪器
    2.2 实验方法
        2.2.1 电极材料的制备方法
        2.2.2 半电池组装方法
    2.3 表征方法
        2.3.1 X射线衍射(XRD)分析
        2.3.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)分析
        2.3.3 透射电子显微镜(TEM)分析
        2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)分析
        2.3.5 拉曼(Raman)光谱分析
        2.3.6 循环伏安测试
        2.3.7 电池充放电性能测试
第三章 脉冲激光辅助离子液体电沉积Ga和Si
    3.1 引言
    3.2 [EMIm]Tf_2N离子液体
        3.2.1 [EMIm]Tf_2N离子液体的物理化学性质
        3.2.2 [EMIm]Tf_2N离子液体的电化学特性
        3.2.3 激光辐照对[EMIm]Tf_2N离子液体的电化学性能的影响
    3.3 脉冲激光辅助离子液体电沉积Ga纳米颗粒与Si纳米团簇
        3.3.1 Ga与Si在电极表面的反应过程
        3.3.2 Ga与Si沉积物的表面形貌
        3.3.4 Ga与Si沉积物的结构和成分分析
    3.4 脉冲激光辅助离子液体电沉积的机理研究
    3.5 本章小结
第四章 脉冲激光辅助离子液体电沉积Ge纳米结构及其锂电池性能研究
    4.1 引言
    4.2 脉冲激光辅助离子液体电沉积Ge实验方法
    4.3 脉冲激光辅助离子液体电沉积Ge纳米颗粒及纳米线
        4.3.1 Ge在电极表面的反应过程
        4.3.2 激光能量对Ge沉积物表面形貌的影响
        4.3.3 Ge沉积物的结构及成分分析
    4.4 Ge纳米线负极材料的电化学性能研究
        4.4.1 Cu箔上电沉积Ge纳米线
        4.4.2 Ge纳米线负极的循环伏安曲线
        4.4.3 Ge纳米线的充放电性能
        4.4.4 Ge纳米线的循环性能
        4.4.5 Ge纳米线的倍率性能
        4.4.6 Ge纳米线50次充放电循环后的形貌
    4.5 脉冲激光辅助离子液体电沉积枝状Ge纳米结构
        4.5.1 枝状Ge纳米结构的表面形貌
        4.5.2 枝状Ge纳米结构的结晶状态分析
        4.5.3 枝状Ge纳米结构的生长过程
    4.6 Ge纳米结构的生长机理研究
    4.7 本章小结
第五章 Ga掺杂的Ge纳米线制备及其锂电池性能研究
    5.1 引言
    5.2 两步离子液体电沉积Ge-Ga纳米线的实验方法
    5.3 Ge-Ga纳米线的制备
        5.3.1 Ge跟Ga在电极表面的反应过程
        5.3.2 Ga球及Ge-Ga纳米线的表面形貌
        5.3.3 Ge-Ga纳米线的结构及成分分析
        5.3.4 Ge-Ga纳米线的生长过程
    5.4 Ge-Ga纳米线负极材料的电化学性能研究
        5.4.1 Cu箔上电沉积Ge-Ga纳米线
        5.4.2 Ge-Ga纳米线的循环伏安曲线
        5.4.3 Ge-Ga纳米线的充放电性能
        5.4.4 Ge-Ga纳米线的循环及倍率性能
        5.4.5 Ge-Ga纳米线循环后的形貌
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
攻读博士期间取得的科研成果
作者简介
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增强电镀镍的研究[J]. 钟晓萍,伍学高.  表面技术. 1994(03)



本文编号：3677609