锂离子电池有机负极材料碱土金属对苯二甲酸盐的研究

发布时间：2017-07-08 12:04

  本文关键词：锂离子电池有机负极材料碱土金属对苯二甲酸盐的研究

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【摘要】：有机共轭羰基化合物因其具有理论比容量高、较高的放电电压平台(0.8 V vs.Li+/Li)、成本低、结构多样性、原料丰富、环境友好等优点与当今社会提出的可持续发展理念相吻合,已成为锂离子电池电极材料的研究热点。该类电极材料在有机电解液中存在一定溶解度、导电性差等原因导致其倍率性能与循环性能差。本论文综述了课题研究背景、锂离子电池工作原理与特点、锂离子电池电极材料的研究进展、对苯二甲酸盐的脱嵌锂机制,研究了利用金属阳离子置换反应将羰基化合物转变成具有晶体结构的碱土金属有机盐,并根据其性能劣势进行了改性,主要内容包括如下:(1)以对苯二甲酸锂的研究为基础,利用阳离子置换反应制备了碱土金属对苯二甲酸盐:对苯二甲酸钙、对苯二甲酸锶、对苯二甲酸钡,并对三种电极材料的性能进行了研究,讨论了同主族相邻的三种金属阳离子(Ca2+,Sr2+,Ba2+)对电极材料的晶体结构、微观形貌、热稳定性、电解液中的稳定性以及脱嵌锂过程中表现出的电化学性能的影响,从而得到碱土金属阳离子影响对苯二甲酸酸根阴离子的脱嵌锂行为的规律。(2)以对苯二甲酸钙(CaTPA)及其三水合物(CaTPA·3H2O)为例研究了结晶水对对苯二甲酸盐性能的影响,探讨结晶水对对苯二甲酸盐的微观形貌、晶体结构、热稳定性、储锂机制以及电化学性能等的影响。研究证明结晶水的存在不仅诱导晶体结构的转变,也使得有机分子盐内部的化学键趋于协调,最终导致对苯二甲酸钙及其三水合物在循环性能、倍率性能等电化学性能上存在差异。(3)研究了以物理复合的方式通过高能球磨制备了对苯二甲酸钙与石墨的复合电极材料,讨论了不同含量的石墨对提高电池容量,电极活性物质的导电性以及复合材料电化学等性能的重要作用。球磨不仅减小了复合材料的颗粒尺寸,还使得石墨在其中分散均匀。导电石墨的增加不仅提高了对苯二甲酸钙的导电性、比容量,还减缓了其在电解液中的溶解度,使得质量比为100:10对苯二甲酸钙与石墨的复合电极材料的比容量在0.1 C时高达233 mAh/g,具有最小的电化学极化和电荷交换转移电阻以及优异的倍率性能和稳定的循环性能。(4)研究了对苯二甲酸钙/碳复合材料的制备方法以及电化学性能。通过水热反应,低温分解有机葡萄糖,在对苯二甲酸钙表面均匀预包覆一薄层碳氢化合物,然后通过低温退火得到三维导电网络结构的碳包覆的对苯二甲酸钙,优化了对苯二甲酸钙的电子导电性和电化学性能。结果表明包覆层不仅有效抑制了活性物质在电解液中的溶解度,且提高了电极的导电性,确保改善电极的电化学性能。
【关键词】：对苯二甲酸钙 羰基化合物 锂离子电池 碱土金属有机电极 碳包覆
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 研究工作的背景与意义12
• 1.2 锂离子电池工作原理与特点12-13
• 1.2.1 锂离子电池工作原理12-13
• 1.2.2 锂离子电池特点13
• 1.3 锂离子电池电极材料13-23
• 1.3.1 无机电极材料研究进展13-16
• 1.3.2 有机电极材料研究进展16-22
• 1.3.3 有机电极材料优缺点22
• 1.3.4 对苯二甲酸盐脱嵌锂机制22-23
• 1.4 本论文研究目的、论文结构安排与创新工作23-25
• 1.4.1 本论文研究目的23
• 1.4.2 论文结构安排23-24
• 1.4.3 本论文的创新工作24-25
• 第二章 实验方法与测量仪器25-31
• 2.1 主要试剂及常用仪器25-27
• 2.1.1 主要试剂25-26
• 2.1.2 常用仪器26-27
• 2.2 材料表征方法27-28
• 2.3 电极制备28-29
• 2.4 电池组装29
• 2.5 恒电流充放电测试29
• 2.6 循环伏安测试与电化学交流阻抗测试29-30
• 2.7 比容量计算30-31
• 第三章 碱土金属对苯二甲酸盐合成、表征及电化学性能初探31-42
• 3.1 引言31
• 3.2 碱土金属对苯二甲酸盐的合成31-33
• 3.3 材料分析表征结果与讨论33-38
• 3.3.1 碱土金属对苯二甲酸盐的XRD测试33-34
• 3.3.2 碱土金属对苯二甲酸盐的热重分析34
• 3.3.3 碱土金属对苯二甲酸盐的红外测试分析34-35
• 3.3.4 碱土金属对苯二甲酸盐的XPS测试分析35
• 3.3.5 碱土金属对苯二甲酸盐的ICP-AES分析35-37
• 3.3.6 碱土金属对苯二甲酸盐的SEM测试分析37-38
• 3.4 电化学性能测试结果与讨论38-41
• 3.4.1 碱土金属对苯二甲酸盐的充放电性能分析38-39
• 3.4.2 碱土金属对苯二甲酸盐的倍率性能与循环性能分析39-40
• 3.4.3 碱土金属对苯二甲酸盐的循环伏安特性40-41
• 3.4.4 碱土金属对苯二甲酸盐的电化学交流阻抗分析41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 结晶水对对苯二甲酸钙性能的影响42-53
• 4.1 引言42
• 4.2 对苯二甲酸钙及其三水合物的合成与半电池组装42-43
• 4.3 材料表征分析结果与讨论43-47
• 4.3.1 CaTPA·3H_2O与CaTPA的FT-IR测试43-44
• 4.3.2 CaTPA·3H_2O与CaTPA的晶体结构与微观形貌表征44-46
• 4.3.3 CaTPA·3H_2O与CaTPA的TGA/DSC测试46-47
• 4.3.4 CaTPA·3H_2O与CaTPA的XPS测试47
• 4.4 材料电化学性能测试47-52
• 4.4.1 CaTPA·3H_2O与CaTPA循环伏安性能测试47-48
• 4.4.2 CaTPA·3H_2O与CaTPA的充放电、倍率与循环性能分析与讨论48-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第五章 对苯二甲酸钙的改性研究53-70
• 5.1 引言53
• 5.2 对苯二甲酸钙/石墨复合物的研究53-62
• 5.2.1 复合物的制备53-54
• 5.2.2 材料的表征分析结果与讨论54-56
• 5.2.3 电化学性能测试结果表征与讨论56-61
• 5.2.4 小结61-62
• 5.3 水热法制备碳包覆对苯二甲酸钙的研究62-70
• 5.3.1 CaTPA/C复合物的制备与半电池组装62
• 5.3.2 CaTPA/C复合物的结构及形貌表征62-64
• 5.3.3 CaTPA/C复合物电化学性能测试64-69
• 5.3.4 小结69-70
• 第六章 结论与展望70-72
• 6.1 结论70-71
• 6.2 展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-78
• 攻读硕士学位期间取得的成果78-79

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