磷化镍用作锂离子电池负极材料的制备及性能研究

发布时间：2020-10-31 02:57

　　 锂离子电池金属磷化物负极材料因具有理论比容量高、反应电极电势低、电极极化小、金属性强和热稳定性高等优点备受关注,有望成为新一代锂离子动力电池负极材料。但作为转化型负极材料,其存在体积膨胀严重、导电性差和制备成本高等缺点,严重制约了大规模生产及应用。此外,锂离子电池一般采用有机液态电解液,存在一定的安全隐患,而固态电解质在一定程度上能够提升锂离子电池的安全性并拓宽电化学窗口,有待发展为新一代固态锂离子电池电解质。本论文主要采用冷凝回流法一步制备具有空心结构和导电网络的磷化镍负极材料。同时设计了一种聚合物基底的复合固态电解质与磷化镍负极组装电池以提升电池的安全性和柔韧性。主要研究内容如下:(1)采用冷凝回流法在石墨烯纳米片导电网络上原位生长空心碳包覆Ni_(12)P_5(Ni_(12)P_5@C/GNS),该方法原位消耗磷源,避免有毒PH_3气体逸出,不借助外加模板和表面活性剂便可构筑空心结构。研究表明空心结构和碳包覆能有效抑制体积膨胀,并且包覆碳壳和GNS形成的导电网络提高了材料的导电性。用作锂离子电池负极材料时,在100 mA g~(-1)的电流密度下循环100周,其放电比容量为900 mAh g~(-1),表现出优异的储锂性能。(2)通过复合法制备出PMMA/PVDF-HFP/LAGP/LiTFSI复合固态电解质,研究发现通过复合有效提高了固态电解质的离子电导率。通过优化聚合物基底PMMA和PVDF-HFP的比例制备的复合固态电解质,在室温下的锂离子电导率为4.0×10~(-2) mS cm~(-1),且机械性能良好。与Ni_(12)P_5@C/GNS复合物负极材料组装成固态锂离子电池时,在100 mA g~(-1)的电流密度下循环100周,其放电比容量为420.1 mAh g~(-1),表现出优异的电化学性能。
【学位单位】：南开大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912;TQ138.13
【部分图文】：

图 3.2 Ni12P5@C/GNS 复合物的制备流程图3.3.2 空心 Ni12P5@C/GNS 复合材料的表征图 3.3a 为合成目标产物的 XRD 图，从图中可以看出，Ni12P5@C/GNS 复合物和未负载 GNS 的 Ni12P5@C 均为纯相，其衍射峰均能较好地与 Ni12P5标准卡片（JCPDS No：22-1190）吻合，未见其他物质的晶面衍射峰。晶体类型为四方晶系 I4/m 点群（图 3.2b 所示），晶胞参数为 a=8.464 ，c=5.070 ，晶胞中存在两种 Ni 原子，分别占据 16i 和 8h 位点，与两个 P 原子相连。有两种不同占位的P 存在，2a 位点的 P 和 8 个 Ni 原子相连，同时 8h 位点的 P 和四个 Ni 原子相连。

图 3.2 Ni12P5@C/GNS 复合物的制备流程图3.3.2 空心 Ni12P5@C/GNS 复合材料的表征图 3.3a 为合成目标产物的 XRD 图，从图中可以看出，Ni12P5@C/GNS 复合物和未负载 GNS 的 Ni12P5@C 均为纯相，其衍射峰均能较好地与 Ni12P5标准卡片（JCPDS No：22-1190）吻合，未见其他物质的晶面衍射峰。晶体类型为四方晶系 I4/m 点群（图 3.2b 所示），晶胞参数为 a=8.464 ，c=5.070 ，晶胞中存在两种 Ni 原子，分别占据 16i 和 8h 位点，与两个 P 原子相连。有两种不同占位的P 存在，2a 位点的 P 和 8 个 Ni 原子相连，同时 8h 位点的 P 和四个 Ni 原子相连。

GNS 为薄层片状结构。（b）图显示 Ni12P5@C 为小颗粒，但团聚比较严重。（c）图中可以明显看出 Ni12P5@C 均匀负载在 GNS 上，并且颗粒均匀，避免了大面积团聚现象发生。由此可看出 GNS 的加入有效缓解了 Ni12P5@C 纳米颗粒团聚。通过 EA 测试得出产物中碳含量为 18.15 wt%，ICP 测试结果显示产物中Ni 含量为 66.3 wt%，对应的 Ni12P5含量为 80.9 wt%，此结果和 EA 结果相符。
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本文编号：2863356