锂离子电池新型负极材料MgFe_2O_4的制备及改性研究

发布时间：2017-06-08 05:07

  本文关键词：锂离子电池新型负极材料MgFe_2O_4的制备及改性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池具有比能量高、开路电压高、循环寿命长、自放电率低、工作温度范围宽、无记忆效应和无环境污染等优势，作为新一代的绿色能源，可用于便携式电子产品、电动交通工具及军事领域等。负极材料是影响锂离子电池性能优劣的关键材料之一。目前，石墨等碳材料作为锂离子电池负极材料已经商品化。尽管碳材料在电化学循环性能、安全性能等方面比金属锂有了很大进步，但因碳材料的嵌锂电位与金属锂相近，仍然会出现过充电时部分锂离子在负极表面堆积从而形成锂枝晶，造成安全隐患。另一方面，碳材料在第一次充放电时，会在活性物质表面生成固态电解质中间相（Solid ElectrolyteInterface Film，剂SEI膜），产生比较大的不可逆容量的损失，也增大了电极与电解液界面间的阻抗，从而使Li+的嵌入和脱出变得困难。因此研制新一代安全性好、比容量高、循环寿命长的新型负极材料已成为当前的首要任务。 铁的二元和三元氧化物如：Fe_2O_3、Fe_3O_4、FePO4、ZnFe_2O_4、CoFe_2O_4和MgFe_2O_4等，因其价廉且对环境友好，是一类颇具潜力的锂离子电池负极材料。MgFe_2O_4具有较高的理论比容量（1072mAh/g），远远高于其它的锂电负极材料，其电压平台高于碳电极，可抑制金属锂的析出从而提高电池的安全性能，并且价廉低毒，不污染环境。目前，关于MgFe_2O_4作为锂离子电池负极材料的报道很少。仅有的几篇报道结果显示该材料的循环稳定性较差，并不具有应用价值。针对这种情况，本论文采用溶胶凝胶自燃烧法合成了MgFe_2O_4材料，并探讨了碳和金属氧化物包覆对材料电性能的影响规律。论文的主要内容如下： 1.首先阐述了锂离子电池的发展简史及其构成、特点等，介绍了作为锂离子电池负极材料的条件及其研究发展现状，并对MgFe_2O_4材料的合成方法、表征手段以及存在的问题进行了分析。以此，确定了本论文研究方向和内容。 2.以熔点较低的硝酸盐作为原料，柠檬酸作为络合剂，采用溶胶凝胶自燃烧法制备出纳米复合金属氧化物MgFe_2O_4材料，探讨了不同烧结温度及保温时间对MgFe_2O_4材料的结构、形貌及电化学性能的影响，得出最优实验条件为：烧结温度500℃，保温时间2h制得的MgFe_2O_4材料的结晶度高，形貌规则，电化学性能优良。并对由不同比例（质量比）导电剂制成的极片组装成的电池的电化学性能进行了比较，得出最佳的制片比例为活性物质与导电剂、粘结剂的质量比等于40:40:20，，从而获得了良好的电性能。25℃下0.1C首次放电比容量为1123mAh·g~(-1)，50次循环过后保留容量为635mAh·g~(-1)，远高于文献中所报道的10次循环后容量稳定在300mAh·g~(-1)。 3.选用三种有机物葡萄糖、β-环糊精、甘氨酸做为碳源，对MgFe_2O_4材料表面进行碳包覆。研究了碳源的种类和用量对MgFe_2O_4材料的结构、形貌和电化学性能的影响规律。对不同碳源包覆得到的MgFe_2O_4/C材料的电性能进行了比较，发现当碳源的比例均为15%时，合成的MgFe_2O_4/C复合材料的电化学性能比纯MgFe_2O_4材料有明显提高。对三种复合材料在25℃下进行0.1C循环充放电，其首次放电比容量分别为1699mAh·g~(-1)，1282mAh·g~(-1)，1616mAh·g~(-1)，50次循环后容量分别衰减到742mAh·g~(-1)、745mAh·g~(-1)、915mAh·g~(-1)，均比之前未包覆碳的MgFe_2O_4材料的放电比容量高。综合看来，选用甘氨酸作为碳源，包覆比例15%合成的MgFe_2O_4/C材料的电性能改善最明显。 4.分别选用金属氧化物TiO_2和Al_2O_3对MgFe_2O_4材料进行表面包覆。研究了氧化物的种类和包覆量对MgFe_2O_4材料的结构、形貌和电化学性能的影响规律。对两种不同氧化物TiO_2和Al_2O_3包覆得到的复合材料的电性能进行了比较，25℃下0.1C循环充放电其首次放电比容量分别为1068mAh·g~(-1)、911mAh·g~(-1)，50次循环后容量分别衰减到633mAh·g~(-1)、491mAh·g~(-1)。综合看来，选用0.5%Al_2O_3对MgFe_2O_4材料进行表面包覆虽未提高循环容量值，但是在一定程度上提高了循环稳定性。
【关键词】：锂离子电池 MgFe_2O_4 溶胶凝胶自燃烧法 碳包覆 氧化物包覆 循环稳定性
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM912;O614.811
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 引言11-12
• 1.2 概述12-14
• 1.2.1 电池发展简史12
• 1.2.2 锂离子电池的构成12-13
• 1.2.3 锂离子电池的工作原理13
• 1.2.4 锂离子电池优缺点13-14
• 1.3 锂离子电池负极材料14-20
• 1.3.1 锂离子电池对负极材料的要求15
• 1.3.2 锂离子电池负极材料的发展15-18
• 1.3.3 锂离子电池负极材料 MgFe_2O_4的合成方法18-19
• 1.3.4 锂离子电池负极材料 MgFe_2O_4的表征手段19-20
• 1.4 本论文的选题依据、研究内容及创新之处20-23
• 1.4.1 选题依据20
• 1.4.2 主要研究内容20-21
• 1.4.3 本论文的创新之处21-23
• 第二章 溶胶凝胶自燃烧法合成 MgFe_2O_4材料23-37
• 2.1 引言23-24
• 2.2 实验部分24-25
• 2.2.1 材料的制备24
• 2.2.2 测试电池的组装24
• 2.2.3 MgFe_2O_4材料的制备、表征和性能测试仪器24-25
• 2.3 结果与讨论25-36
• 2.3.1 MgFe_2O_4前驱体的 TG/DSC 分析25
• 2.3.2 不同烧结温度对 MgFe_2O_4材料微观结构及形貌的影响25-27
• 2.3.3 不同烧结时间对 MgFe_2O_4材料的微观结构及其形貌的影响27-30
• 2.3.4 不同质量比制备极片组装成电池的电化学性能比较30-33
• 2.3.5 不同烧结温度对 MgFe_2O_4材料的电化学性能的影响33-34
• 2.3.6 不同烧结时间对 MgFe_2O_4材料的电化学性能的影响34-36
• 2.4 结论36-37
• 第三章 碳包覆对 MgFe_2O_4材料电性能的影响37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 材料的合成37-38
• 3.2.2 实验电池的组装38
• 3.2.3 MgFe_2O_4/C 材料的制备、表征和性能测试仪器38-39
• 3.3 结果与讨论39-53
• 3.3.1 不同碳源制备得到的 MgFe_2O_4/C 前驱物的 TG 分析39
• 3.3.2 不同葡萄糖量对 MgFe_2O_4/C 材料的微观结构及其形貌的影响39-41
• 3.3.3 不同葡萄糖量对 MgFe_2O_4/C 材料的电化学性能的影响41-43
• 3.3.4 不同β-环糊精量对 MgFe_2O_4/C 材料微观结构及形貌的影响43-45
• 3.3.5 不同β-环糊精量对 MgFe_2O_4/C 材料电化学性能的影响45-47
• 3.3.6 不同甘氨酸量对 MgFe_2O_4/C 材料微观结构及形貌的影响47-49
• 3.3.7 不同甘氨酸量对 MgFe_2O_4/C 材料的电化学性能的影响49-51
• 3.3.8 不同碳源合成的 MgFe_2O_4/C 材料的电化学性能比较51-53
• 3.4 结论53-55
• 第四章 MgFe_2O_4材料表面包覆 TiO_2和 Al_2O_3的改性研究比较55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 实验部分55-56
• 4.2.1 材料的合成55-56
• 4.2.2 测试电池的组装56
• 4.2.3 复合材料的制备、表征和性能测试仪器56
• 4.3 结果与讨论56-68
• 4.3.1 不同 TiO_2包覆量对合成的复合材料其结构及形貌的影响56-59
• 4.3.2 不同 TiO_2包覆量对合成的复合材料的电化学性能的影响59-61
• 4.3.3 不同 Al_2O_3包覆量对合成的复合材料其结构及形貌的影响61-64
• 4.3.4 不同 Al_2O_3包覆量对合成的复合材料的电化学性能的影响64-66
• 4.3.5 MgFe_2O_4材料表面包覆 TiO_2和 Al_2O_3的电化学性能比较66-68
• 4.4 结论68-69
• 第五章 结论69-71
• 参考文献71-77
• 致谢77-79
• 攻读学位期间发表的学术论文目录79-80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王雪松,杨桂琴,王晓曦,严乐美,韩冰;微乳-沉淀法制备纳米尖晶石型MgFe_2O_4及表征[J];硅酸盐通报;2001年03期

2 杨留方,李星,赵鹤云,吴兴惠;MgFe_2O_4纳米复合氧化物的制备和气敏性能[J];硅酸盐学报;2004年12期

3 黄玉洁,王军,陈乾旺;MgFe_2O_4纳米粉体的水热合成及其表征(英文)[J];无机化学学报;2005年05期

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本文编号：431445