纳米锰基复合材料的可控合成及电极性能的研究
发布时间：2021-08-02 12:51
锂离子电池（LIBs）凭借能量密度高、循环寿命长和安全可靠等优点广泛应用于诸类电子产品、大规模储能电站和纯（混合）电动汽车等领域。因为传统的石墨锂电负较低的理论比容量(372 mAh g-1)极大了限制了先进LIBs的发展,所以开发出一个高性能负极材料迫在眉睫。在众多的负极材料中一氧化锰（MnO）拥有相对低的电压滞后、电动势低、理论容量较高、环境友好和地壳含量丰富等优点,成为一个很具有发展前景的负极材料。然而,由于在转化反应期间大量的体积变化、缓慢的反应动力学和本身低的电导率等问题,所以MnO的倍率性能和循环性能受到了极大地的影响。针对MnO的缺陷,本论文采用MnO与碳材料进行复合,选取最简单有效的碳包覆方式,以一维纳米锰基化合物（MnOOH纳米线、MnO2纳米棒）为前驱体,经过KNO3处理后,得到一维KMn8O16为自模板,经过原位聚合、简单退火形成N掺杂的碳层,核为MnO的一维纳米核壳结构（MnO@C）。此结构在储能方面具有诸多优势,比如电子连续定向传递,短的锂离子扩散路径...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的发展历程
燕山大学工学硕士学位论文-4-图1-2LIBs的工作原理示意图[22]1.2.3锂离子电池的优点与传统的二次电池（主要为铅酸、镍镉和镍氢电池）相比较，LIBs具有很明显的优势[24-26]：1．能量密度高，轻便易携带。LIBs正极材料在实际应用中能量密度也能达到了140Whkg-1，相当于镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。因此，在电池能量相同的情况下，LIBs相比其他传统电池的体积将会更小，所以LIBs更方便携带。2．循环寿命长。根据LIBs的化学成分，LIBs的使用寿命一般为15年。3．自放电小，无记忆效应。目前，LIBs的自放电率仅为总电容量的5%-9%，大大缓解了传统的二次电池放置时由自放电所引起的电能损失问题。另外，LIBs可以在电池电量未用完时充电，不会引起电池的总容量变少。而其它二次电池都具有记忆效应，不能即时充电。4．工作电压高。一般单体LIBs电压为3.5V-3.8V，掺杂类新型高电压LiNi0.5Mn1.5O4材料甚至高达4.7V，为铅蓄电池的电压两倍（2V），是镍镉和镍氢电池的3倍（1.2V）。5．充电速度快。一般LIBs大约两个小时即可完成，而铅酸电池则需要大约24小时才能够完成充电，这样更显示出了LIBs的便捷使用性。
储过程中的能量效率很差[33]。由于块状M粉末很难分解电化学惰性的LinX，所以这种转化机制的可逆性的关键在于，形成了高电活性的M纳米颗粒来分解被SEI层包围的LinX基质的难易程度，此外，锂化后的大量结构重排导致了过渡金属化合物的充放电特性之间的电压滞后，从而引起导致了低的往返能量密度和内热演化。由于过渡金属化合物固有的电导率较低，且在重复循环过程中存在粉化问题，导致其倍率性能差，容量衰减快。除上述问题外，锂化过程中形成的高活性M纳米颗粒可能引起电解液分解，导致部分可逆的副反应[34]。图1-3转化反应中过渡金属化合物的局部化学转化示意图在此，我们以一氧化锰（MnO）为例来解释转化过程中反应机理，具体的反应机理方程式为：MnO+2Li++2eMn+Li2························（1-5）在首次放电过程中，生成SEI膜和不可逆的Li2O相，MnO与锂离子发生还原反应，生成纳米级金属Mn单质，并嵌入在非晶的Li2O基质中；充电过程则相反，SEI膜趋于稳定，金属Mn单将原位催化可逆的Li2O，并与之反应重新生成MnO与锂离子。此外，转化型材料具有资源丰富、能量和功率密度大等优点，具有巨大的商业化前景，成为本论文的研究对象。然而，转化型材料拥有的缺陷（如同图1-3介绍的一样），转化型材料导电能力普遍较差，所以传荷能力也不好，限制了其倍率性能；在充放电过程中，金属单质的积聚现象以及极化问题破坏了材料结构的稳定性，导
本文编号：3317595
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池的发展历程
燕山大学工学硕士学位论文-4-图1-2LIBs的工作原理示意图[22]1.2.3锂离子电池的优点与传统的二次电池（主要为铅酸、镍镉和镍氢电池）相比较，LIBs具有很明显的优势[24-26]：1．能量密度高，轻便易携带。LIBs正极材料在实际应用中能量密度也能达到了140Whkg-1，相当于镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。因此，在电池能量相同的情况下，LIBs相比其他传统电池的体积将会更小，所以LIBs更方便携带。2．循环寿命长。根据LIBs的化学成分，LIBs的使用寿命一般为15年。3．自放电小，无记忆效应。目前，LIBs的自放电率仅为总电容量的5%-9%，大大缓解了传统的二次电池放置时由自放电所引起的电能损失问题。另外，LIBs可以在电池电量未用完时充电，不会引起电池的总容量变少。而其它二次电池都具有记忆效应，不能即时充电。4．工作电压高。一般单体LIBs电压为3.5V-3.8V，掺杂类新型高电压LiNi0.5Mn1.5O4材料甚至高达4.7V，为铅蓄电池的电压两倍（2V），是镍镉和镍氢电池的3倍（1.2V）。5．充电速度快。一般LIBs大约两个小时即可完成，而铅酸电池则需要大约24小时才能够完成充电，这样更显示出了LIBs的便捷使用性。
储过程中的能量效率很差[33]。由于块状M粉末很难分解电化学惰性的LinX，所以这种转化机制的可逆性的关键在于，形成了高电活性的M纳米颗粒来分解被SEI层包围的LinX基质的难易程度，此外，锂化后的大量结构重排导致了过渡金属化合物的充放电特性之间的电压滞后，从而引起导致了低的往返能量密度和内热演化。由于过渡金属化合物固有的电导率较低，且在重复循环过程中存在粉化问题，导致其倍率性能差，容量衰减快。除上述问题外，锂化过程中形成的高活性M纳米颗粒可能引起电解液分解，导致部分可逆的副反应[34]。图1-3转化反应中过渡金属化合物的局部化学转化示意图在此，我们以一氧化锰（MnO）为例来解释转化过程中反应机理，具体的反应机理方程式为：MnO+2Li++2eMn+Li2························（1-5）在首次放电过程中，生成SEI膜和不可逆的Li2O相，MnO与锂离子发生还原反应，生成纳米级金属Mn单质，并嵌入在非晶的Li2O基质中；充电过程则相反，SEI膜趋于稳定，金属Mn单将原位催化可逆的Li2O，并与之反应重新生成MnO与锂离子。此外，转化型材料具有资源丰富、能量和功率密度大等优点，具有巨大的商业化前景，成为本论文的研究对象。然而，转化型材料拥有的缺陷（如同图1-3介绍的一样），转化型材料导电能力普遍较差，所以传荷能力也不好，限制了其倍率性能；在充放电过程中，金属单质的积聚现象以及极化问题破坏了材料结构的稳定性，导
本文编号：3317595
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