钴基复合物锂离子电池负极材料的可控合成及电性能研究

发布时间：2017-09-26 21:28

  本文关键词：钴基复合物锂离子电池负极材料的可控合成及电性能研究

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【摘要】：高性能锂离子电池成为大功率电子设备(如电动汽车)的迫切需要。日前,石墨和其他的碳材料是主要的锂离子电池负极材料,然而这些碳材料做负极储锂的容量不高,在一定程度上很大的限制了锂离子电池能量密度的进一步提升。所以,开发高容量的锂离子电极材料极具迫切。含钴的无机化合物,如硫化钴、钴酸盐等,由于其独特的物理和化学性质已经在锂离子电池中得到了应用,并且可以通过碳材料,如石墨烯、非晶多孔碳等与其进行复合,可以大大提高它们的容量。在本论文中,我们合成了双重保护的中空结构a-C@GNs@Co_9S_8纳米复合物和双重保护的三维结构a-C@CoSO_4@GNs纳米复合材料。通过XRD、Raman、XPS、TGA、SEM、TEM及CV、EIS及恒电流充放电等测试手段,观测复合物的组成,形貌,尺寸,微观结构及电化学性能。(1)通过热注入法得到石墨烯包覆的中空结构GNs@Co_9S_8纳米复合物,并通过阿拉伯树包裹,利用高温裂解法,得到双重保护的a-C@GNs@Co_9S_8复合物。将该复合物应用于负极材料中,并探究其在温度范围为-20℃至70℃下的电化学性能。当温度为70℃时,在500mA g-1电流密度下循环100周后具备优异的可逆比容量910mAhg-1。(2)使用水热法和高温裂解法,通过阿拉伯树胶模板辅助,两步合成法成功制备了三维结构的a-C@CoSO_4@GNs纳米复合材料。a-C@CoSO_4@GNs纳米复合物在1.5A g-1的电流密度下仍然保持可逆比容量为532.4mAh g-1,其值远远高于石墨商业负极材料的理论比容量值372mAh g-1;当电流密度回到200mAg-1下循环6周后,可逆比容量分别恢复至823.5mAh g-1。在整个倍率性能测试过程中,GNs@a-C@CoSO_4材料的库伦效率始终保持在接近100%。
【关键词】：双重包覆 石墨烯 负极材料 Co_9S_8 CoSO_4
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-29
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锂离子电池的发展概述12-13
• 1.3 锂离子二次电池的组成13-14
• 1.4 锂离子二次电池的工作原理14-16
• 1.4.1 锂离子二次电池的优缺点15-16
• 1.5 锂离子电池正极材料的研究现状16-20
• 1.5.1 层状LiCoO_2正极材料17
• 1.5.2 层状LiNiO_2正极材料17-18
• 1.5.3 尖晶石LiMn_2O_4正极材料18-19
• 1.5.4 层状LiCo_(1/3)Mn_(1/3)Ni_(1/3)O_2三元正极材料19
• 1.5.5 橄榄石LiFePO_4正极材料19-20
• 1.6 锂离子电池负极材料的研究进展20-27
• 1.6.1 石墨负极材料21-22
• 1.6.2 石墨烯负极材料22
• 1.6.3 硅基、锗基等合金负极材料22-23
• 1.6.4 过渡金属硫化物23-27
• 1.7 本论文的主要研究目的和研究内容27-29
• 1.7.1 研究内容27-28
• 1.7.2 创新点28-29
• 第二章 合成方法与表征29-38
• 2.1 合成方法29-31
• 2.1.1 热注入法29
• 2.1.2 水热合成法29-30
• 2.1.3 高温热裂解法30-31
• 2.2 药品与试剂31-32
• 2.3 仪器和设备32
• 2.4 材料的分析表征32-35
• 2.4.1 X-射线衍射分析（XRD）33
• 2.4.2 热重分析（TGA）33-34
• 2.4.3 拉曼光谱（Raman）34
• 2.4.4 X-射线光电子能谱分析（XPS）34
• 2.4.5 扫描电子显微镜（SEM）34-35
• 2.4.6 透射电子显微镜（TEM）35
• 2.5 电化学测试35-38
• 2.5.1 电池的制备35-36
• 2.5.2 循环伏安法（CV）36-37
• 2.5.3 交流阻抗法（EIS）37
• 2.5.4 恒电流充放电测试37-38
• 第三章 双重保护的中空a-C@GNs@Co_9S_8复合物负极材料的合成及电性能研究38-56
• 3.1 引言38-39
• 3.2 实验部分39-41
• 3.2.1 GNs@Co_9S_8复合物的合成39-40
• 3.2.2 a-C@GNs@Co_9S_8复合物的合成40
• 3.2.3 负极极片的制备及电化学性能测试40
• 3.2.4 结构的表征40-41
• 3.3 结果与讨论41-54
• 3.3.1 a-C@GNs@Co_9S_8复合材料的组成及相结构分析41-43
• 3.3.2 GNs@Co_9S_8及a-C@GNs@Co_9S_8.的微观表征（TEM、HRTEM、SAED）43-45
• 3.3.4 材料的电性能分析45-48
• 3.3.5 材料不同温度下的电化学阻抗（EIS）分析48-50
• 3.3.6 材料的不同温度下的循环伏安（CV）分析50-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 双重保护的三维结构a-C@CoSO_4@GNs复合物负极材料的合成及电性能研究56-71
• 4.1 引言56-57
• 4.2 实验部分57-60
• 4.2.1 a-C@CoSO_4@GNs纳米复合物的制备57-59
• 4.2.2 负极极片的制备及电性能测试59
• 4.2.3 结构表征59-60
• 4.3 结果与讨论60-70
• 4.3.1 a-C@CoSO_4@GNs、a-C@CoSO_4及CoSO_4的组成及相结构分析60-62
• 4.3.2 a-C@CoSO_4@GNs复合物的微观表征（SEM、TEM）62-64
• 4.3.3 a-C@CoSO_4@GNs复合物的XPS分析64-65
• 4.3.4 材料的电性能分析65-68
• 4.3.5 材料的电化学阻抗（EIS）分析68-69
• 4.3.6 复合材料的充放电机理分析69-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-89
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
• 致谢90-91
• 答辩委员会对论文的评定意见91

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