镍基化合物/碳复合材料的制备及其在锂离子电池中的应用
发布时间：2021-02-27 10:03
随着电动汽车和消费性电子设备的飞速发展,对于锂离子电池的需求也在急剧增加。而目前的商用石墨负极,由于受限于其较低的理论容量,因而很难满足实际发展的需要。因此,对于高性能负极材料的探索变得至关重要。在大量的负极材料中,镍基化合物凭借其高理论容量、储量充足、环境友好等优势而备受研究工作者青睐,特别是NiO和NiS2,在锂离子电池中都展现出了很高的理论容量(>700 mAh g-1)。然而,固有的低电导率以及循环过程中严重的体积变化是这两种电极材料所面临的关键性问题。如何有效缓解这些问题对电极材料本身的影响,并充分发挥材料的储锂潜能,成为当前研究者们共同努力的方向。目前的大量研究表明,以碳基材料为基体来构筑具有纳米结构的复合材料对于活性材料整体的导电性和稳定性都有很明显的改善。基于对上述问题的综合考虑,本文以SiO2为模板,通过合理设计三维多孔碳骨架和镍基化合物的复合材料来有效改善镍基材料在导电性和结构稳定性方面存在的不足。主要研究成果包括:（1）采用SiO2硬模板并结合水热处理、高温退火和化学刻蚀...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理图[14]
第1章绪论5和杂原子掺杂所产生的协同作用，改性后的石墨烯电极材料在55℃的温度条件下，在电流密度为5Ag-1时，经过1000圈循环后仍有810mAhg-1的比容量[23]。显然，石墨烯材料在锂存储方面极具潜力，但是易团聚的问题也很大程度地限制了其在各个领域的实际应用[24]。所以，该材料也逐渐成为了导电添加剂，用来与其他导电性差的化合物复合进行使用，以此提高复合材料整体的导电性[25,26]。除了石墨化碳材料外，非石墨化的无定型碳以其可逆容量高、结构稳定、层间距大的优势而逐渐进入了研究者的视野。碳原子的无序排列导致了更大层间距和更多的缺陷，这有利于电解液充分浸润活性材料。而且，也能够提供更大的空间去储存锂离子，这也能够在提升可逆容量和快速充放电性能方面发挥积极作用。比如，Yang等人以蔗糖为原料合成了纳米多孔的硬碳材料。纳米多孔的结构有助于容纳更多的锂离子，同时也能够有效缩短电解液和锂离子的扩散路径。正是如此，这种多孔的无定型碳负极在锂离子电池中表现出了优异的倍率性能（332.8mAhg-1）和较高的比容量[27]。但是，这类碳材料也存在着电压平台不明显，不可逆容量高等缺点。图1.2DHPG电极的形貌表征。（a）、（b）是DHPG电极的SEM图。DHPG电极的（c）TEM图和（d）HRTEM图[23]。Figure1.2MorphologycharacterizationsofDHPGelectrode.(a),(b)SEMimagesofDHPGelectrode.(c)TEMimageand(d)HRTEMimageofDHPGelectrode.
示。在用于锂离子电池中时表现出极其优异的循环稳定性，当电流密度是2.1Ag-1时，循环40圈后容量保留率仍接近100%。即使在8.4Ag-1时，70个循环周期后也有～90%的容量保留率（～1800mAhg-1）。这种纳米结构能更好地适应反应中严重的体积变化，而且由于能和集流体直接接触，所有的纳米线都能参与到合金化的过程中，从而改善了循环性能[34]。Liu等人利用模板辅助电沉积的方式制得了锗纳米管，在0.2C时，初始放电容量高达1641mAhg-1，充电容量为1260mAhg-1。而且，250个循环周期后的容量保持率相对于第50个周期仍有98%[35]。图1.3Si纳米线电极在不同方向下的SEM图。（a）Si纳米线的横截面图。（b）Si纳米线的俯视和放大图[33]。Figure1.3SEMimagesofSinanowireselectrodeindifferentdirections.(a)cross-sectionalviewofSiNWs.(b)TopandenlargedviewofSiNWs.另外，研究表明，合金材料与碳基材料复合也是一种有效的策略去缓解体积膨胀带来的容量衰减问题[36,37]。例如，Chen等[38]人将硅纳米粒子用双碳壳结构进行包覆并用于锂离子电池测试，该复合材料在0.2C时，充电容量高达1802mAhg-1，首圈库伦效率也有69%。而且，1000个循环周期之后仍然有75.2%的容量保留率。Shang及其合作者在硅纳米颗粒上原位编织了全碳石墨烯涂层，这种结构为硅颗粒保留了合理的空隙，而且构建了稳定的导电网络结构，有效地抑制了体积改变所引起的结构破坏。因此，该负极材料充分展示了硅在容量方面的优势，以2Ag-1的电流密度循环1450圈之后，比容量仍保持有1503mAhg-1[39]。
本文编号：3054068
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的工作原理图[14]
第1章绪论5和杂原子掺杂所产生的协同作用，改性后的石墨烯电极材料在55℃的温度条件下，在电流密度为5Ag-1时，经过1000圈循环后仍有810mAhg-1的比容量[23]。显然，石墨烯材料在锂存储方面极具潜力，但是易团聚的问题也很大程度地限制了其在各个领域的实际应用[24]。所以，该材料也逐渐成为了导电添加剂，用来与其他导电性差的化合物复合进行使用，以此提高复合材料整体的导电性[25,26]。除了石墨化碳材料外，非石墨化的无定型碳以其可逆容量高、结构稳定、层间距大的优势而逐渐进入了研究者的视野。碳原子的无序排列导致了更大层间距和更多的缺陷，这有利于电解液充分浸润活性材料。而且，也能够提供更大的空间去储存锂离子，这也能够在提升可逆容量和快速充放电性能方面发挥积极作用。比如，Yang等人以蔗糖为原料合成了纳米多孔的硬碳材料。纳米多孔的结构有助于容纳更多的锂离子，同时也能够有效缩短电解液和锂离子的扩散路径。正是如此，这种多孔的无定型碳负极在锂离子电池中表现出了优异的倍率性能（332.8mAhg-1）和较高的比容量[27]。但是，这类碳材料也存在着电压平台不明显，不可逆容量高等缺点。图1.2DHPG电极的形貌表征。（a）、（b）是DHPG电极的SEM图。DHPG电极的（c）TEM图和（d）HRTEM图[23]。Figure1.2MorphologycharacterizationsofDHPGelectrode.(a),(b)SEMimagesofDHPGelectrode.(c)TEMimageand(d)HRTEMimageofDHPGelectrode.
示。在用于锂离子电池中时表现出极其优异的循环稳定性，当电流密度是2.1Ag-1时，循环40圈后容量保留率仍接近100%。即使在8.4Ag-1时，70个循环周期后也有～90%的容量保留率（～1800mAhg-1）。这种纳米结构能更好地适应反应中严重的体积变化，而且由于能和集流体直接接触，所有的纳米线都能参与到合金化的过程中，从而改善了循环性能[34]。Liu等人利用模板辅助电沉积的方式制得了锗纳米管，在0.2C时，初始放电容量高达1641mAhg-1，充电容量为1260mAhg-1。而且，250个循环周期后的容量保持率相对于第50个周期仍有98%[35]。图1.3Si纳米线电极在不同方向下的SEM图。（a）Si纳米线的横截面图。（b）Si纳米线的俯视和放大图[33]。Figure1.3SEMimagesofSinanowireselectrodeindifferentdirections.(a)cross-sectionalviewofSiNWs.(b)TopandenlargedviewofSiNWs.另外，研究表明，合金材料与碳基材料复合也是一种有效的策略去缓解体积膨胀带来的容量衰减问题[36,37]。例如，Chen等[38]人将硅纳米粒子用双碳壳结构进行包覆并用于锂离子电池测试，该复合材料在0.2C时，充电容量高达1802mAhg-1，首圈库伦效率也有69%。而且，1000个循环周期之后仍然有75.2%的容量保留率。Shang及其合作者在硅纳米颗粒上原位编织了全碳石墨烯涂层，这种结构为硅颗粒保留了合理的空隙，而且构建了稳定的导电网络结构，有效地抑制了体积改变所引起的结构破坏。因此，该负极材料充分展示了硅在容量方面的优势，以2Ag-1的电流密度循环1450圈之后，比容量仍保持有1503mAhg-1[39]。
本文编号：3054068
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