锂离子电池用锰基尖晶石型过渡金属氧化物负极材料的合成及其性能表征

发布时间：2017-10-14 19:41

  本文关键词：锂离子电池用锰基尖晶石型过渡金属氧化物负极材料的合成及其性能表征

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【摘要】：近年来,随着便携式电子产品、混合动力汽车(HEVs)、纯电动汽车(EVs)以及插电式混合动力汽车(PHEVs)的不断发展,人们对锂离子电池能量密度和功率密度的需求都在不断的提升,石墨负极材料作为主要的商业化锂离子电池负极材料由于其自身结构的限制,容量和安全性都有很大的局限性,这就促使探索新一代的高容量长寿命的锂离子电池负极材料迫在眉睫。在众多的候选材料中,过渡金属氧化物由于其较大的理论比容量,已经成为了人们关注的热点之一。但是过渡金属氧化物也存在着一些问题,或材料的导电性能较差,或材料在充放电的过程中与Li发生反应生成的纳米金属粒子容易发生团聚,或材料在充放电的过程中产生巨大的体积变化,离实际应用还有一段的距离。本文通过合成Zn Mn2O4来探究粒子尺寸对材料电化学性能的影响,以及合成Cu1.5Mn1.5O4并且首次作为锂离子电池负极材料来探究其充放电机理。本文的主要工作内容如下:1.采用喷雾干燥法合成纳米Zn Mn2O4,探究后续退火温度对材料形貌和电化学性能的影响。XRD结果表明我们在退火温度为400°C和600°C时合成了纯的尖晶石型的Zn Mn2O4,所有的衍射峰都和Zn Mn2O4的标准卡片一致,没有其他的杂质峰出现。SEM的结果表明,在退火温度为600°C时,我们成功合成粒子尺寸在100 nm左右的Zn Mn2O4样品,并且证实了Zn Mn2O4材料这种粒子尺寸时具有最优的电化学性能。电化学测试证明了ZM600样品具有最高的首次库伦效率(70.6%)和最好的循环性能(在循环至120圈时,放量容量仍然有859 m A h g-1)。ZM600样品的倍率性能也很优异。在1600 m A g-1的高电流密度下仍然具有382 m A h g-1的比容量。2.采用喷雾干燥法合成一种尖晶石结构的Cu1.5Mn1.5O4,并且首次作为锂离子电池负极材料来探究其充放电机理。电化学测试的结果表明在充放电电压范围0.01-3V,电流密度100 m A/g下,首圈的充放电容量分别为1031.7和664.1 m A h/g,库伦效率为64.4%,电池在循环60圈后,容量仍能保持在464 m A h/g。同时借助于CV和XPS分析证明了Cu1.5Mn1.5O4在充放电过程中其反应机制是氧化还原机制。并且我们研究了退火温度对材料电化学性能的影响,在退火温度为700°C时合成的材料具有最优异的电化学性能。
【关键词】：锂离子二次电池 负极材料 过渡金属氧化物 喷雾干燥法 电化学性能
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 中文摘要4-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-35
• 1.1 引言11-13
• 1.2 锂离子电池的简介13-15
• 1.2.1 发展概要13
• 1.2.2 锂离子电池结构13-14
• 1.2.3 锂离子电池的工作原理14-15
• 1.3 锂离子电池的电极材料15-23
• 1.3.1 锂离子电池正极材料15-19
• 1.3.1.1 层状结构的Li Co O216-17
• 1.3.1.2 尖晶石型结构的Li Mn2O417-18
• 1.3.1.3 橄榄石型结构的Li Fe PO418-19
• 1.3.2 锂离子电池负极材料19-23
• 1.3.2.1 碳负极材料19-21
• 1.3.2.1.1 石墨化材料19-20
• 1.3.2.1.2 非石墨化碳材料20-21
• 1.3.2.1.3 碳纳米管材料21
• 1.3.2.2 钛酸锂负极材料21-22
• 1.3.2.3 硅基负极材料22-23
• 1.4 过渡金属氧化物的研究进展23-27
• 1.4.1 过渡金属氧化物脱/嵌锂机理23-24
• 1.4.2 嵌入/脱出机理的过渡金属氧化物负极材料24-25
• 1.4.3 合金-去合金化机理的过渡金属氧化物负极材料25
• 1.4.4 氧化还原机理的过渡金属氧化物负极材料25-26
• 1.4.4.1 二元过渡金属氧化物25-26
• 1.4.4.2 三元过渡金属氧化物26
• 1.4.5 合金-去合金化和氧化还原机理的过渡金属氧化物负极材料26-27
• 1.5 本论文的研究目的及内容27-30
• 参考文献30-35
• 第二章 实验试剂与实验技术35-39
• 2.1 实验药品和仪器35-37
• 2.2 实验技术37-39
• 2.2.1 材料的结构及形貌表征37-38
• 2.2.1.1X-射线衍射技术(XRD)37
• 2.2.1.2 扫描电子显微镜（SEM）37
• 2.2.1.3X-射线光电子能谱（XPS）37
• 2.2.1.4 热失重分析（TGA）37-38
• 2.2.2 电化学表征技术38-39
• 2.2.2.1 循环伏安测试（CV）38
• 2.2.2.2 恒流充放电测试（DC）38-39
• 第三章 喷雾干燥法合成Zn Mn2O4负极材料及其性能研究39-53
• 3.1 引言39
• 3.2 实验部分39-40
• 3.2.1 实验材料的制备39-40
• 3.2.2 材料表征40
• 3.2.3 电化学性能测试40
• 3.3 结果与讨论40-49
• 3.3.1 结构和形貌表征40-43
• 3.3.2 电化学性能43-49
• 3.4 本章小结49-50
• 参考文献50-53
• 第四章 喷雾干燥法合成Cu1.5Mn1.5O4负极材料及其性能研究53-63
• 4.1 引言53
• 4.2 实验部分53-54
• 4.2.1 材料制备53-54
• 4.2.2 材料表征54
• 4.2.3 电化学性能测试54
• 4.3 结果与讨论54-61
• 4.4 本章小结61-62
• 参考文献62-63
• 第五章 结论63-64
• 科研成果64-65
• 致谢65-66

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