几种过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的制备与电化学性能

发布时间：2017-08-30 06:30

  本文关键词：几种过渡金属氧化物锂离子电池负极材料的制备与电化学性能

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【摘要】：锂离子电池在储能方面的发展越来越受到关注,其相对于传统电池(铅蓄电池,镍镉电池等)具有比容量大,质量轻,使用寿命长等优点。但是随着社会发展,对电池性能的要求也在不断提高,锂离子电池也在不断的改进。虽然目前主要使用石墨作为商业化锂离子电池的负极材料,但是其比容量低,倍率性能差,使锂离子电池的发展受到相应的限制。过渡金属氧化物由于其来源广泛,价格低廉且比容量大等优势,在锂离子电池方面的应用引起了研究者的广泛关注。但是由于过渡金属氧化物在锂离子脱出和嵌入过程中体积变化较大,容易导致电极破裂,电极材料与集流体分离,使电池的使用寿命降低。因此本文通过对过渡金属氧化物负极材料的形貌调控,与碳材料复合或者氮掺杂碳来改善锂离子电池负极材料的电化学性能。论文的主要研究内容和结果如下：1.将合成的TiO2前驱体分别在氩气和氨气中煅烧得到组成不同的TiO2与碳(TiO2/C)和氮掺杂碳TiO2 (N-TiO2/C)纳米复合物。两产物均为球形,直径大约160 nm,且前者表面较光滑,后者则由小的纳米颗粒组成,表面较粗糙。通过电化学性能测试发现N-TiO2/C复合材料在电流密度为0.6 C时,经过220次循环后,可逆比容量为277 mAh g-1,而TiO2/C复合材料的比容量只有228.9 mAh g-1,说明N-TiO2/C具有高的比容量。在不同电流密度下测试发现N-TiO2/C复合材料也具有较好的倍率性能,表明氮掺杂作用改善了TiO2电极材料的电化学性能。2.通过无模板一步水热法制备了中空@多孔的TiO2微球,其壳层的厚度约为450 nm。中空@多孔TiO2微球的合成机理包括TiO2纳米粒子的生成、聚集以及定向生长,HF刻蚀、奥斯瓦尔德熟化和转化过程。经过充放电测试发现,在电流密度为0.6 C时,经过150次循环,可逆比容量约为170 mAh g-1;倍率测试则发现,在电流密度为24 C时可逆比容量为40.8 mAh g-1,体现了较好的倍率性能,可能由于中空@多孔的结构提供了更多的储锂位点,同时促进了电解液的扩散和锂离子的运输。此TiO2负极材料具有优异的电化学性能,将有可能成为理想的锂离子电池负极材料。3.在超声条件下通过配位转化的方式,由[Cu(NH3)4]2+与均苯三甲酸反应合成Cu-MOF材料。将Cu-MOF在空气中不同温度下煅烧制备组成和形貌不同的电极材料,发现在250℃下煅烧后的产物是CuO/C复合材料,为中空多孔棒状;而在300℃和350℃温度下产物均为CuO,无碳存在,形貌不规整。通过充放电测试发现,在电流密度为100 mAg-1时,循环200次后,在温度为250℃,煅烧后的产物可逆比容量为505 mAh g-1,远高于在300℃和350℃下煅烧产物的比容量(分别为250.1 mAh g-1和192.3 mAh g-1), CuO/C的倍率性能也优于CuO,说明中空多孔结构和碳的存在改善了电极材料的电化学性能。
【关键词】：过渡金属氧化物 二氧化钛 氧化铜 锂离子电池 负极材料
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-26
• 1.1 前言9-10
• 1.2 锂离子电池概述10-13
• 1.2.1 锂离子电池发展史10-11
• 1.2.2 锂离子电池的组成和工作原理11-13
• 1.3 过渡金属氧化物负极材料的研究状况13-19
• 1.3.1 过渡金属氧化物负极材料的类型13
• 1.3.2 TiO_2负极材料研究进展13-16
• 1.3.3 CuO负极材料研究进展16-19
• 1.4 本文的设计思路和研究内容19-20
• 参考文献20-26
• 第二章 氮掺杂的TiO_2/C复合材料的制备与储锂性能26-37
• 2.1 前言26-27
• 2.2 实验部分27-28
• 2.2.1 实验试剂27
• 2.2.2 样品制备27
• 2.2.3 样品表征27-28
• 2.2.4 电池组装和电化学性能测试28
• 2.3 结果与讨论28-34
• 2.3.1 产物的物相分析28-30
• 2.3.2 X射线光电子能谱分析30-31
• 2.3.3 产物的形貌表征31-32
• 2.3.4 电化学性能测试32-34
• 2.4 结论34
• 参考文献34-37
• 第三章 无模板法制备性能优异的中空@多孔的TiO_2锂离子电池负极材料37-49
• 3.1 前言37-38
• 3.2 实验部分38-39
• 3.2.1 实验试剂38
• 3.2.2 中空@多孔TiO_2微球的制备38
• 3.2.3 样品表征38-39
• 3.2.4 电化学性能测试39
• 3.3 结果与讨论39-45
• 3.3.1 EDS图谱分析39-40
• 3.3.2 产物的物相和形貌分析40-42
• 3.3.3 中空@多孔TiO_2微球形成过程42-43
• 3.3.4 电化学性能分析43-45
• 3.4 结论45-46
• 参考文献46-49
• 第四章 配位转化法制备中空多孔CuO/C锂离子电池负极材料49-63
• 4.1 前言49-50
• 4.2 实验部分50-52
• 4.2.1 实验试剂50
• 4.2.2 Cu-MOF的制备50
• 4.2.3 CuO/C复合材料制备50-51
• 4.2.4 样品表征51
• 4.2.5 电化学测试51-52
• 4.3 结果与讨论52-58
• 4.3.1 Cu-MOF的物相和热重分析52
• 4.3.2 产物的物相和拉曼分析52-54
• 4.3.3 产物的形貌分析54-56
• 4.3.4 电化学性能分析56-58
• 4.4 结论58-60
• 参考文献60-63
• 致谢63-64
• 硕士期间发表的论文64

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