锗基纳米材料的制备及作为锂离子电池负极材料的研究

发布时间：2017-09-08 21:34

  本文关键词：锗基纳米材料的制备及作为锂离子电池负极材料的研究

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【摘要】：近几年来,纳米材料被成功地应用在可充电锂离子电池上,用来提高电池的储锂容量和循环性能。许多容量高循环性能好的负极材料被提出来替代商用的石墨负极。锗基材料被认为是比较有前景的负极材料,因为它的理论容量比较高,并且锂在锗中的扩散速率快。纯锗负极在锂合金化和去合金化的过程中存在较大的体积变化(370%),会导致结构的破坏和容量的快速衰减。研究表明,将材料纳米化、表面碳包覆建立缓冲结构等方法能够有效防止锗颗粒在充放电过程中发生团聚,并且缓解材料的体积膨胀,从而改善材料的电化学性能。本文中我们合成了海胆状Ca_2Ge_7O_(16)空心球材料,和GeO_2/Ge/C,Ge/C两种碳包覆的复合材料。运用SEM,XRD,TEM,TGA等现代测试分析方法对这些材料进行了系统的研究,包括它们的结构和物理特性,并且探究了这些材料作为锂离子电池负极的性能。我们的研究工作主要有以下几个方面：在第3章中,采用甲基脲辅助水热法合成了海胆状Ca_2Ge_7O_(16)空心球材料。通过添加不同浓度的甲基脲控制形貌变化。探索了不同碱源,不同温度对形貌的影响。通过基于时间的形态演变的实验研究了海胆状空心球的生长机理。作为锂离子负极,Ca_2Ge_7O_(16)展现出了良好的循环性能和倍率性能。电流密度为1000 mAg~(-1)时,循环200周后,容量仍然保持在603 mAh g~(-1)。在高电流密度4 A g~(-1)时,电池的容量为420 mAh g~(-1)。在第4章中,通过两种不同的方法分别合成了GeO_2/Ge/C,Ge/C。与商品的GeO_2电化学性能相比,发现制备的两种材料的循环性能和倍率性能都提高了GeO_2/Ge/C在电流为100 mA g~(-1)时,循环50周以后容量仍然保持在800 mAh g~(-1)。并且倍率性能良好,在高电流密度1800 mA g~(-1)时,可逆容量为480 mAh g~(-1)。Ge/C在电流密度为100 mA g~(-1)时,循环50周后,容量保持在580 mAh g~(-1),在高电流密度1800 mA g~(-1)时,可逆容量为440 mAh g~(-1)。探索了两种材料的电化学性能提高的原因,比较了两种不同的碳包覆方法对材料形貌和性能的影响。
【关键词】：锂离子电池 纳米材料 二氧化锗/锗/碳 锗/碳 碳包覆 锗酸钙 海胆状空心球
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池基础10-14
• 1.2.1 锂离子电池的基本概念10-12
• 1.2.2 锂离子电池的发展史12-13
• 1.2.3 锂离子电池的特点13
• 1.2.4 锂离子电池的应用13-14
• 1.3 锂离子电池负极材料14-16
• 1.4 锗/氧化锗负极材料的研究进展16-19
• 1.4.1 锗/二氧化锗纳米材料的合成16-17
• 1.4.2 锗/氧化锗纳米材料在锂离子电池中的应用17-19
• 1.5 金属锗酸盐19-21
• 1.5.1 金属锗酸盐的合成20
• 1.5.2 金属锗酸盐在锂离子电池中的应用20-21
• 1.6 本研究课题的目的与内容21-23
• 1.6.1 研究的目的21-22
• 1.6.2 研究的内容22-23
• 第2章 材料的制备及测试方法23-28
• 2.1 实验药品与仪器23-24
• 2.1.1 实验药品23
• 2.1.2 实验仪器23-24
• 2.2 极片的制备及电池的组装过程24-25
• 2.2.1 极片的制备过程24
• 2.2.2 电池的组装过程24-25
• 2.3 电池材料的物理表征25-26
• 2.3.1 X射线衍射分析(XRD)25
• 2.3.2 扫描电子显微镜分析(SEM)25
• 2.3.3 透射电子显微镜分析(TEM)25-26
• 2.3.4 热重分析(TG)26
• 2.4 电池的电化学性能表征26-28
• 2.4.1 循环伏安测试(CV)26
• 2.4.2 电化学交流阻抗(EIS)26
• 2.4.3 恒电流充放电以及倍率性能测试26-28
• 第3章 海胆状Ca_2Ge_7O_(16)负极材料的制备及其电化学性能28-39
• 3.1 前言28
• 3.2 材料的合成28-29
• 3.2.1 海胆状的Ca_2Ge_7O_(16)空心纳米球的制备28-29
• 3.2.2 设计的各种对比实验29
• 3.3 结果与讨论29-38
• 3.3.1 材料的结构和形貌粉分析29-34
• 3.3.2 锂电性能研究34-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 GeO_2/Ge与碳复合物的制备和电化学性能研究39-49
• 4.1 前言39
• 4.2 硅与碳复合物的制备和电化学性能及其与锗的比较39-42
• 4.2.1 Si/C和Si/C/C NT的制备及电化学性能39-41
• 4.2.2 Si/RGO的制备及电化学性能41
• 4.2.3 SiO_2的制备与还原及其与锗的比较41-42
• 4.3 材料的合成42-43
• 4.3.1 Ge/C和GeO_2/Ge/C的制备方法42
• 4.3.2 商品的GeO_2作为原料制备纳米GeO_2颗粒的探究42-43
• 4.4 结果与讨论43-48
• 4.4.1 材料的结构和形貌粉分析43-46
• 4.4.2 锂电性能测试46-48
• 4.5 本章小结48-49
• 结论与展望49-51
• 结论49
• 展望49-51
• 参考文献51-59
• 致谢59-60
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录60

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