去合金化技术制备高性能锂/钠离子电池负极材料

发布时间：2022-10-30 11:50

　　燃油汽车的运行、火力发电等过程引起的化石燃料燃烧加剧了温室效应,人们对于可再生和可持续能源（太阳能、风能、潮汐能、生物质能等）的研究兴趣不断增加,但是这些可再生能源固有的不连续性限制了其应用,基于电化学原理的能源存储系统可以克服其局限。锂离子电池已经广泛应用于便携电子设备和电动汽车上,虽然在过去的二十多年其能量密度提高了近四倍,但是目前遇到了瓶颈,其中一个有效提高锂离子电池能量密度的方法是利用高比容量的负极材料（比如硅、锗、磷等）替换现有的石墨负极,但是这些高容量电极材料在充放电过程中具有大的体积变化,导致电极粉化,破坏了其导电网络,通过设计纳米结构（比如纳米多孔、纳米线、纳米阵列、核壳纳米结构等）可以有效缓解电极体积膨胀问题。同时锂资源短缺而钠资源非常丰富,钠离子电池有望成为锂电池的替代品,但是由于钠离子半径较大,充放电过程中电极体积膨胀也是其面临的关键问题。本文利用铸造和去合金化技术制备出了纳米多孔锗、纳米多孔锑、红磷@Ni-P核壳纳米结构以及铋纳米棒一系列高性能锂/钠离子电池负极材料,可以大规模制备。首先,利用快速凝固技术制备A171.6Ge28.4前驱体,将其放入5 wt%的盐... 

【文章页数】：200 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
本文的主要创新点
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 锂离子电池简介
        1.2.1 锂离子电池工作原理
        1.2.2 锂离子电池正极材料
        1.2.3 锂离子电池负极材料
        1.2.4 锂离子电池电解质与隔膜
    1.3 钠离子电池简介
        1.3.1 钠离子电池正极
        1.3.2 钠离子电池负极
    1.4 去合金化技术制备纳米多孔材料简介
        1.4.1 去合金化技术的原理
        1.4.2 去合金化技术的应用
    1.5 本文选题依据和主要研究内容
        1.5.1 选题依据
        1.5.2 主要研究内容
    参考文献
第二章 实验部分
    2.1 实验材料与实验仪器
    2.2 材料结构分析与性能测试
        2.2.1 场发射扫描电子显微镜(SEM)
        2.2.2 X射线衍射分析(XRD)
        2.2.3 透射电子显微镜(TEM)
        2.2.4 激光共聚焦拉曼光谱(Raman Spectroscopy)
        2.2.5 比表面积及孔径分析
        2.2.6 X射线光电子能谱分析(XPS)
    2.3 电化学性能表征
        2.3.1 锂/钠离子电池电极制备与电池装配
        2.3.2 电池恒电流充放电性能测试
        2.3.3 循环伏安测试(CV)
        2.3.4 交流阻抗测试(AC impedance)
第三章 高性能纳米多孔锗锂离子电池负极材料
    3.1 引言
    3.2 材料制备
    3.3 结果分析与讨论
        3.3.1 去合金化技术制备纳米多孔锗过程的机理分析
        3.3.2 纳米多孔锗物相与结构分析
        3.3.3 纳米多孔锗作为锂离子电池负极的嵌锂过程分析
        3.3.4 纳米多孔锗作为锂离子电池负极的循环和倍率性能分析
        3.3.5 纳米多孔锗电极和锗颗粒电极循环后的形貌与电化学阻抗谱比较
    3.4 本章小结
    参考文献
第四章 纳米多孔锑的可控制备及其储钠性能与机理研究
    4.1 引言
    4.2 材料制备
    4.3 结果分析与讨论
        4.3.1 去合金化制备纳米多孔锑过程中结构演变机理分析
        4.3.2 纳米多孔锑物相与结构分析
        4.3.3 去合金化制备的不同尺寸锑颗粒的形貌与物相分析
        4.3.4 不同形貌尺寸的纳米多孔锑和锑颗粒作为钠离子电池负极的电化学性能分析
        4.3.5 商业锑粉和纳米多孔锑电极循环后的形貌与电化学阻抗谱对比
        4.3.6 形貌可控的纳米多孔锑嵌钠机理分析
    4.4 本章小结
    参考文献
第五章 阵列状铋纳米棒束的制备及其优异的电化学储能性
    5.1 引言
    5.2 材料制备
    5.3 结果分析与讨论
        5.3.1 阵列状铋纳米棒束的形貌和结构物相分析
        5.3.2 阵列铋纳米棒束作为钠离子电池负极的电化学性能分析
        5.3.3 阵列铋纳米棒束在脱嵌钠过程中的结构演变分析
        5.3.4 阵列铋纳米棒束作为高性能钠离子电池负极结构分析
        5.3.5 阵列铋纳米棒束和铋纳米颗粒循环后电极形貌与电化学阻抗谱对比
    5.4 本章小结
    参考文献
第六章 红磷@镍磷核壳结构调控及其长寿命储钠特性研究
    6.1 引言
    6.2 材料制备
    6.3 结果分析与讨论
        6.3.1 去合金化调控RP@Ni-P核壳纳米结构过程机理分析
        6.3.2 去合金化调控RP@Ni-P核壳过程中的结构形貌演变
        6.3.3 RP@Ni-P纳米核壳结构形貌分析
        6.3.4 RP@Ni-P的电子导电性分析与化学镀过程中的颜色变化
        6.3.5 电池集流体化学镀镍后的结构与储钠能力
        6.3.6 不同去合金化时间后RP@Ni-P的拉曼、红外以及XPS价态分析
        6.3.7 RP@Ni-P作为钠离子电池负极的电化学性能分析
        6.3.8 红磷电极和RP@Ni-P电极在循环后的电化学阻抗谱和形貌结构分析
        6.3.9 钠离子电池正极材料Na_3V_2(PO_4)_3/C的结构与电化学性能分析
        6.3.10 8h RP@Ni-P//Na_3V_2(PO_4)_3/C钠离子全电池电化学性能分析
        6.3.11 RP@Ni-P电子导电性和离子导电性对比
        6.3.12 RP@Ni-P嵌钠机理分析
    6.4 本章小结
    参考文献
第七章 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 展望
    参考文献
致谢
附录
    攻读博士学位期间发表的论文
    攻读博士学位期间获授权的专利
    攻读博士学位期间参与的科研项目
    参加学术会议情况
    攻读博士学位期间获奖情况
外文论文
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
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[2]去合金化制备纳米多孔金属材料的研究进展[J]. 谭秀兰,唐永建,刘颖,罗江山,李恺,刘晓波.  材料导报. 2009(05)
[3]锂离子电池锡基负极材料的研究进展[J]. 袁万颂,田彦文,刘国强.  稀有金属与硬质合金. 2009(04)
[4]锂离子电池用锑基负极材料的研究现状[J]. 张勇,霍庆媛,王力臻,张爱勤.  电池. 2013(01)
[5]Spinel lithium titanate (Li4Ti5O12) as novel anode material for room-temperature sodium-ion battery[J]. 赵亮,潘慧霖,胡勇胜,李泓,陈立泉.  Chinese Physics B. 2012(02)
[6]First-principles investigation on structural and electrochemical properties of NaCoO2 for rechargeable Na-ion batteries[J]. 粟劲苍,周广,裴勇,杨振华,王先友.  Journal of Central South University. 2015(06)
[7]Graphene-immobilized flower-like Ni3S2 nanoflakes as a stable binder-free anode material for sodium-ion batteries[J]. Yu Han,Shuang-yu Liu,Lei Cui,Li Xu,Jian Xie,Xue-Ke Xia,Wen-Kui Hao,Bo Wang,Hui Li,Jie Gao.  International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2018(01)



本文编号：3698834