多孔纳米氧化铜锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-04-23 23:16

  本文关键词：多孔纳米氧化铜锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池由于具有输出电压高、能量密度大、循环寿命长和绿色无污染等优点,已广泛应用于各类便携式电子设备,同时作为动力电池逐渐向电动汽车领域拓展,并在新能源储存和转换方面具有广阔的应用前景。但是,目前商业化的锂离子电池主要以石墨为负极,理论比容量低,将不能满足飞速发展的高性能应用需求。金属氧化物因其比容量高、储量丰富和绿色环保等优点成为潜在的石墨替代型负极材料。但是,储存锂过程中较大的体积膨胀以及本征导电性差等问题,一直制约着金属氧化物负极材料的电化学性能。多孔电极材料具有高比表面积和多孔隙结构等特点,有利于Li+的扩散、电荷的传输和体积膨胀的释放,将显著提升金属氧化物负极材料的电化学性能。本论文以典型的金属氧化物CuO为研究对象,基于多孔电极材料的结构优势,开发了几种新的氢氧化物热分解、碳酸盐辅助水热和复合碳酸盐高温热分解技术,设计和制备了不同多孔CuO纳米材料,并结合氧化石墨烯、四氧化三钴复合修饰,优化CuO锂离子电池负极材料的电化学性能。论文的主要研究工作如下：(1)基于氢氧化物的介稳性,开发了一种以干燥介质调控氢氧化铜自组装,可控制备CuO多孔结构和纳米晶自组装结构的简便方法,提升了CuO负极材料的循环稳定性。以Cu(OH)2纳米棒为前驱体,通过干燥介质水和乙醇的干预调控并结合后续热处理成功制备了多孔CuO纳米片和纳米晶自组装CuO纳米棒,作为锂离子电池负极材料时都表现出良好的循环稳定性,多孔CuO纳米片在67.4mAg-1电流密度下循环150次后,可逆比容量为576 mAh g-1。(2)基于Cu2(OH)2CO3的化学活性,开发了一种简便、灵活的碳酸盐辅助水热法,一步实现碳酸盐纳米颗粒的自堆积、热分解以及奥氏熟化过程制备多孔CuO微球。以Cu2+与Na2CO3共沉淀合成的Cu2(OH)2CO3纳米颗粒为前驱体,经水热处理合成了直径为1.5Φ2.5μm的多孔CuO微球,采用控制溶液离子强度方法引入氧化石墨烯复合修饰,获得电化学性能优异的CuO/GO复合结构：在电流密度0.5 C下循环500次后可逆比容量为500 mAhg-1,容量保持率达80.0%,循环1000次后比容量为420 mAhg-1,即使在高倍率4C下其比容量依然保持为354mAhg-1。(3)针对不同金属氧化物间的协同储锂效应,开发了一种基于不同碳酸盐协同自组装效应的复合碳酸盐前驱体高温热分解法,成功制备了多孔CuO/Co3O4复合分级结构,显著提高了CuO负极的储锂比容量。以CuCl2·2H2O为铜源,Co(NO3)2·6H2O为钴源,NaHCO3为沉淀剂,在水热条件下实现不同比例COCO3与Cu2(OH)2CO3间的协同自组装合成了(Cu, Co)2(OH)2CO3前驱体,经过高温热分解获得不同多孔CuO/Co3O4复合电极材料,其中以Cu:Co摩尔比1：6复合的电极具有优异的电化学性能,在电流密度200 mAg-1下,循环500次后比容量为1056 mAhg-1,容量保持率高达111.2%。
【关键词】：锂离子电池 氧化铜 多孔结构 共沉淀法 水热法 电化学性能
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.21;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-36
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂离子电池概述13-17
• 1.2.1 锂离子电池的基本结构和工作原理14-16
• 1.2.2 锂离子电池的主要特点16-17
• 1.3 锂离子电池负极材料17-23
• 1.3.1 嵌入型负极材料19-20
• 1.3.2 合金化型负极材料20-21
• 1.3.3 转化型负极材料21-23
• 1.4 多孔电极材料23-33
• 1.4.1 多孔电极材料的特点23-24
• 1.4.2 多孔电极材料的制备方法24-33
• 1.5 本论文选题思路及主要研究内容33-36
• 第二章 实验内容与测试方法36-42
• 2.1 化学试剂与实验设备36-37
• 2.1.1 化学试剂36-37
• 2.1.2 实验设备37
• 2.2 材料测试表征与设备37-42
• 2.2.1 材料基本结构表征37-39
• 2.2.2 材料电化学性能表征39-42
• 第三章 多孔CuO纳米片的氢氧化物前驱体法制备及其电化学性能研究42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 多孔CuO纳米片的氢氧化物前驱体法制备43
• 3.2.1 共沉淀法制备Cu(OH)_2纳米棒43
• 3.2.2 不同干燥介质调控制备CuO纳米片43
• 3.3 多孔CuO纳米片形貌结构表征和形成过程分析43-49
• 3.3.1 多孔CuO纳米片形貌和结构表征43-48
• 3.3.2 多孔CuO纳米片形成过程分析48-49
• 3.4 多孔CuO纳米片的电化学性能研究49-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第四章 多孔CuO微球及CuO/GO复合结构的碳酸盐前驱体法制备及其电化学性能研究56-74
• 4.1 引言56-57
• 4.2 多孔CuO微球及CuO/GO复合结构的制备57-58
• 4.2.1 多孔CuO微球的制备57
• 4.2.2 CuO/GO复合结构的制备57-58
• 4.3 多孔CuO微球及CuO/GO形貌结构表征和形成过程分析58-67
• 4.3.1 多孔CuO微球及CuO/GO复合结构形貌结构表征58-62
• 4.3.2 多孔CuO微球及CuO/GO复合结构形成过程分析62-67
• 4.4 多孔CuO微球及CuO/GO复合结构的电化学性能研究67-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的碳酸盐前驱体法制备及其电化学性能研究74-94
• 5.1 引言74-75
• 5.2 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的制备75
• 5.2.1 (Cu,Co)_2(OH)_2CO_3前驱体的制备75
• 5.2.2 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的制备75
• 5.3 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的形貌结构表征和形成过程分析75-87
• 5.3.1 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的形貌结构表征75-84
• 5.3.2 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的形成过程分析84-87
• 5.4 多孔CuO/Co_3O_4复合结构的电化学性能研究87-93
• 5.5 本章小结93-94
• 第六章 结论与展望94-98
• 6.1 结论94-96
• 6.2 展望96-98
• 参考文献98-108
• 致谢108-110
• 个人简历110-112
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果112

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