二硫化钼用作锂离子电池负极材料的结构设计和性能研究

发布时间：2017-09-24 08:00

  本文关键词：二硫化钼用作锂离子电池负极材料的结构设计和性能研究

  更多相关文章： 高性能锂离子电池 水热法 二硫化钼纳米花 三维导电网络 石墨烯纳米片层 碳纳米管

【摘要】：随着科学技术的发展,便携式电子产品和可穿戴的电子设备在现代社会中得到了广泛的应用。在这些电子产品的组成部分中,能量储存系统,尤其是电池系统,越来越成为制约设备进一步轻便化、小型化和持久续航的重要因素。另外,人口数量的持续增长使促使交通工具数量需求快速增长。传统交通的工具使用化石燃料作为能源,这将导致巨大的环境问题和能源的不可持续发展。解决这些问题的关键在于开发出高性能的电池。这些高性能的电池需要具有高的比能量密度、比功率密度、长久的使用寿命和环境友好等特点。显然,已经开发并商业化的锂离子电池成为储能电源理想的第一选择。但是传统商用的锂离子电池在能量密度和功率密度方面不是很高,并不能完全满足一些电气设备的使用要求,因此还有很大的改进提高空间。研究和开发新的电极材料是一条提高锂离子电池性能的重要途径。寻找新型具有高的比能量密度、比功率密度、长久使用寿命的电极材料已成为锂离子电池领域研究开发的主要课题。当前使用最广泛的锂离子电池负极材料依然是石墨。虽然石墨的价格低廉性能优秀,但是石墨的理论比容量很低,仅有372 mAh/g。因此石墨很难满足新一代电气设备的需求,开发新一代锂离子电池负极材料已迫在眉睫。本论文着眼于具有类似与石墨片层状结构的过渡金属硫化物一二硫化钼。二硫化钼具有远高于石墨的比容量,但是由于二硫化钼导电性很差和嵌锂脱锂过程中很大的体积变化导致其电化学性能很差。本论文重点研究了不同碳包覆的二硫化钼电极材料的结构和电化学性能,以及结构和电化学性能之间的关系。通过将二硫化钼制备成具有少数几个片层的纳米花瓣以限制二硫化钼的尺寸,并将这种纳米花瓣嵌入复合碳材料的导电网络骨架中来改善二硫化钼电极材料的电化学性能。在本论文第一章的绪论部分,作者简要的回顾了电池,特别是锂离子电池的发展历史、结构和基本原理以及特性和应用。接下来介绍了锂离子电池的负极材料及当前锂离子电池负极材料中存在的问题和解决办法。在绪论的最后,作者对本论文的选题背景和研究内容进行了简单的介绍。在本文的第二章中作者介绍了合成高性能二硫化钼复合电极材料过程中使用的试剂、仪器设备以及对所制备的电极材料进行表征的设备和方法。第三章介绍了一种通过简便的水热法,即可成功制备出一种花朵状的二硫化钼-纳米石墨烯片层-碳纳米管纳米复合材料的方法。这种纳米复合材料可以应用于锂离子电池的负极材料并且表现出优异的电化学性能。通过引入纳米片层的石墨烯和碳纳米管骨架可以有效的限制二硫化钼纳米花的长大(复合材料中二硫化钼的片层厚度仅有5-10nm)。碳纳米管紧密嵌入复合材料中,形成三维的快速导电网络不仅能够提高二硫化钼-纳米石墨烯片层-碳纳米管纳米复合电极材料的电导率,还能够隔离二硫化钼纳米花以限制二硫化钼的团聚。这种三维纳米复合材料表现出优良的倍率性能(在20A/g的电流密度下充放电循环时,容量保持在300 mA h/g)和超长的大电流循环性能(在5a/g的电流密度下充放电循环时,经过1000次充放电循环以后,容量依然能保持在728 mA h/g)。这种结构能够有效地解决二硫化钼电极材料的自身缺陷,对于制备其他过渡金属的硫化物电极材料具有重要的借鉴意义。本论文的第四章对硕士研究生期间的工作做了一个简单的总结。在工作总结中分析了本论文的创新之处和不足之处并提出改进意见。最后又对未来的研究工作做出一个简单的设想和展望。
【关键词】：高性能锂离子电池 水热法 二硫化钼纳米花 三维导电网络 石墨烯纳米片层 碳纳米管
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;O646
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-39
• 1.1 引言11-13
• 1.2 锂离子电池的发展历史13-15
• 1.3 锂离子电池的结构及原理15-20
• 1.3.1 锂离子电池的结构和组成16-17
• 1.3.2 锂离子电池的工作原理17-20
• 1.4 锂离子电池的特性及应用20-25
• 1.4.1 锂离子电池的特性20-25
• 1.4.2 锂离子电池的应用25
• 1.5 锂离子电池的电极材料25-29
• 1.5.1 锂离子电池用电极材料概述25-26
• 1.5.2 石墨类层状负极材料的结构和反应机理26-28
• 1.5.3 层状负极材料的制备28
• 1.5.4 层状负极材料存在的问题和改进方法28-29
• 1.6 本论文的选题背景和研究内容29-31
• 参考文献31-39
• 第二章 实验仪器与方法39-51
• 2.1 本课题中所用大的主要药品的基本信息和用途简介39-40
• 2.2 本论文研究过程中所用的主要仪器40-51
• 2.2.1 材料合成设备40-45
• 2.2.2 样品的形貌、物相、结构及成分的表征用到的仪器45
• 2.2.3 电池负极电极的制备和电池的组装用到的仪器45-47
• 2.2.4 锂离子电池电化学性能测试的仪器47-51
• 第三章 二硫化钼负极材料的制备和表征51-77
• 3.1 引言51-54
• 3.2 实验部分54-57
• 3.2.1 二硫化钼-纳米石墨烯片层-碳纳米管三维材料的制备54-56
• 3.2.2 电极片的制备56
• 3.2.3 CR2032型纽扣电池的装备56-57
• 3.3 实验结果与讨论57-71
• 3.3.1 结构、形貌与成分57-65
• 3.3.2 电化学性能65-71
• 3.4 本章小结71-72
• 参考文献72-77
• 第四章 硕士期间工作总结和未来设想77-79
• 4.1 本论文创新之处77
• 4.2 本论文不足之处77
• 4.3 未来工作设想77-79
• 致谢79-81
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果81

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本文编号：910235