钴基金属氧化物电极材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-08-05 21:19

  本文关键词：钴基金属氧化物电极材料的制备及电化学性能研究

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【摘要】：锂离子电池由于具有比能量高、自放电率低、寿命长、无记忆效应等特点,不仅在便携式设备和储能系统中得到广泛应用,还被逐渐应用于电动汽车之中。为了满足动力电池的发展要求,开发出具有高容量、大倍率和高稳定性的锂离子电池负极材料是科学研究的热点。混合过渡金属氧化物材料因其具有远高于商用化石墨的理论容量(372 m Ah g~(-1)),而被视为是一种有潜在应用价值的负极材料。然而,金属氧化物材料自身电子电导率低,在脱嵌锂过程中发生的体积膨胀/收缩等一些特点制约了其进一步实用化。研究表明,纳米技术能够调控材料的微观结构,有效地缓解过渡金属氧化物的上述缺陷,对提高锂离子电池负极材料的电化学性能有着重要意义。本论文采用液相法制备具有特殊分级结构的钴基金属氧化物材料,通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等对样品结构与形貌进行表征,测试其电化学性能,研究电化学性能与不同形貌、组成之间的关系,为负极材料的发展做出积极探索。首次采用微波水热法在β-环糊精为模板剂的体系中制备出了海胆状的CuCo_2O_4电极材料。考察了反应温度、β-环糊精加入量等试验参数对样品形貌的影响,并通过时间演进实验探究了海胆状形貌的形成机理。由于材料具有纳米棒自组装的海胆状结构,能有效地缓解充放电过程中结构应变所造成的体积效应,从而提升材料的电化学性能。该电极材料在2 A g~(-1)的电流密度下,经过600次循环,容量仍能保持在699 m Ah g~(-1)。采用溶剂热法在DMF/乙醇体系下,以PVP为表面活性剂构筑了粒子球状ZnCo_2O_4分级结构。考察了混合溶剂配比、PVP加入量对样品形貌的影响,证明了PVP在体系中的尺寸限制等作用,论证了产物中多孔结构的形成是由于前驱体中PVP热分解所导致的。由于纳米颗粒组装而成的微米球结构具有多孔特性,使材料具有良好的电化学性能,在3 A g~(-1)的大电流密度下,循环300次后,放电容量仍可达到671 m Ah g~(-1),库伦效率稳定在97%以上。材料具有较高的可逆容量、良好的循环稳定性以及良好的倍率性能。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 分级结构 钴酸铜 钴酸锌
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 锂离子电池发展简史11-13
• 1.3 锂离子电池工作原理13-15
• 1.4 锂离子电池负极材料研究进展15-26
• 1.4.1 插层型负极材料16-20
• 1.4.2 合金化型负极材料20-22
• 1.4.3 转换型负极材料22-26
• 1.5 本文的主要研究内容26-28
• 第2章 实验材料及测试方法28-34
• 2.1 实验仪器和原料28-29
• 2.1.1 实验原料28-29
• 2.1.2 实验仪器29
• 2.2 材料制备方法29-30
• 2.2.1 微波水热法29-30
• 2.2.2 水热/溶剂热法30
• 2.3电极材料的物理性能测试30-31
• 2.3.1 X射线衍射测试（XRD）30
• 2.3.2 场发射扫描电子显微镜（FESEM）及能谱（EDX）30-31
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）31
• 2.3.4 比表面积和孔径分布分析（BET）31
• 2.3.5 热重分析（TG）31
• 2.3.6 傅里叶变换红外光谱分析（FT-IR）31
• 2.4 实验电池组装31-32
• 2.4.1 电极的制备31-32
• 2.4.2 半电池的组装32
• 2.5电极材料的电化学性能测试32-34
• 2.5.1 恒流充放电测试32-33
• 2.5.2 循环伏安测试33
• 2.5.3 交流阻抗测试33-34
• 第3章 海胆状CuCo_2O_4的制备及电化学性能研究34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 样品的制备34-35
• 3.3 海胆状CuCo_2O_4的结构与形貌分析35-37
• 3.4 实验参数对产物形貌的影响37-42
• 3.4.1 反应温度对形貌的影响37-38
• 3.4.2 尿素加入量对形貌的影响38-39
• 3.4.3 β-环糊精加入量对形貌的影响39-40
• 3.4.4 溶剂对形貌的影响40
• 3.4.5 海胆状CuCo_2O_4纳米材料的生长机理的研究40-42
• 3.5 CuCo_2O_4纳米材料的电化学性能42-47
• 3.5.1 循环伏安测试42-43
• 3.5.2 循环性能测试43-45
• 3.5.3 充放电测试45-46
• 3.5.4 交流阻抗测试46-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 ZnCo_2O_4多孔粒子球的制备及电化学性能研究48-67
• 4.1 引言48-49
• 4.2 样品制备49
• 4.3 ZnCo_2O_4粒子球状分级结构的物相与形貌分析49-53
• 4.3.1 物相分析49-51
• 4.3.2 形貌分析51-53
• 4.4 实验参数对产物形貌的影响53-59
• 4.4.1 混合溶剂比例对形貌的影响53-54
• 4.4.2 表面活性剂PVP加入量对形貌的影响54-58
• 4.4.3 粒子球状分级结构的形成机理探究58-59
• 4.5 ZnCo_2O_4纳米材料的电化学性能59-65
• 4.5.1 循环伏安测试59-60
• 4.5.2 恒流充放电测试60-61
• 4.5.3 循环稳定性及倍率性能测试61-64
• 4.5.4 交流阻抗测试64-65
• 4.6本章小结65-67
• 结论67-68
• 参考文献68-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果76-78
• 致谢78

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