锰系氧化物的价态调控及电化学储能研究
发布时间：2021-08-27 06:54
近年来,由于过渡金属氧化物拥有高的理论容量,对环境友好,安全性好等优点,成为了锂离子二次电池负极材料中一个热门的研究领域,为锂离子电池带来极大的运用前景。其中锰氧化物的比容量大、无毒以及价格低廉等特点,是其它过渡金属氧化物无法相比的优势。然而由于其实际循环比容量低,充放电过程中表现出容量衰减快和循环性能差的缺点,使其商业化受到限制。为了克服这些问题,本论文研究了以金属-有机框架MOFs（Metal-Organic Frameworks）促进锰氧化物性能的策略,即以锰离子作为高比表面积和高孔隙率MOFs的中心离子。改变合成条件,实现了锰氧化物的价态调控,制备出不同的锰系氧化物,应用于锂离子电池负极材料,表现出了优异的电化学性能,获得良好的储能性能。具体研究工作如下:（1）采用有机和无机两种溶剂制备得到形貌各异的MnO材料,应用于锂离子电池负极,表现出优异的电化学性能。分别以去离子水和乙二醇作为溶剂,采用1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）作为模板剂,有机金属盐乙酰丙酮锰（III）作为反应物,制备得到含有碳和锰氧化物的MOF结构复合物。经过热处理后,将两种MnO材料应用于锂离子电池负极,...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
第一章绪论5⑤必须安全，即避免电池的热失控，这个标准并不仅仅为某个电池单独设置，但在用于电动车辆和飞机等运输中需特别注意。⑥可逆脱嵌高度发生时，脱嵌过程中锂离子的自由能变小；⑦锂离子电池可逆容量大，电极电位不受锂离子插入数量影响，维持良好的电压平台；⑧循环寿命长，循环性能好；⑨材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低，环保性好。关于这些的不同标准，必须对现有离子电池负极材料展开相关的探索。对锂离子电池负极材料进行分类如下：碳材料；锡基材料；硅基材料；氮化合物和其他一些新型铝合金阳极材料，图1-2为不同负极材料的能量密度。1.3.1碳负极材料作为还原性最强的元素，金属锂作为负极与强氧化剂结合得到高电压和高能量电池，有利于应用于更高的能量密度电源。然而，由于金属锂在充电过程中形成锂枝晶问题，相关的安全性和循环寿命问题似乎将其限制了它的进一步应用[28]。与原来的锂离子电池相比，负极为石墨烯的锂离子电池的能量密度只有很小的降低，但却大大提高了电池的使用寿命和安全性，很快实现了大规模的商业化[26]。石墨发生锂化后的极限化合物为LiC6，具有850mAhcm-3的能量密度和372mAhg-1的理论容量，其值与碳材料极为相似[30]。目前，诸如石墨烯，碳纳米管和无定形碳材料的碳材料常作为锂离子电池负极[31]。图1-2不同负极材料的能量密度
电子科技大学硕士学位论文8有的，由于Al和Si放电平台超过Li/Li+0.3-0.4V，适合用于锂的存储。缺点是充放电滞后比较大、循环稳定性差。目前研究比较多的有Si、Sn、Ge等。表1-1合金材料与其他材料性能对比材料LiCLi4Ti5O12SiSnMg密度(gcm-3)0.532.253.52.337.291.3锂化相LiLiC6Li7Ti5O12Li4.4SiLi4.4SnLi4.4Mg理论比容量(mAhg-1)386237217542009943350理论电荷密度2047837613978672464355体积变化(%)100121320260100对锂的电压(~V)00.051.60.40.60.1虽然硅具有较高的理论比容量，远超过石墨电极，氧化物和各种氮化物[47]。但强烈的体积膨胀，导致合金破裂而粉化，进一步对集流体与材料的电接触产生破坏，出现容衰减。由于在嵌锂时硅颗粒发生紧密接触，颗粒形貌和体积发生明显改变[48]。反之，脱锂时，颗粒间失去接触，剧烈的变化进一步导致容量的衰减。因此必须采取措施对材料优化，从降低与电解液的接触和减小体积膨胀出发，综合提升金属合金电化学性能。几种主要元素在合金化过程中体积变化达到96%~320%。因此目前金属合金材料材料并未商业化应用[49]。图1-3不同金属合金材料能量密度比较
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-Based Metal-Organic Framework and Its Derivatives for Reversible Lithium Storage[J]. Yan Jin,Chongchong Zhao,Yichao Lin,Deyu Wang,Liang Chen,Cai Shen. Journal of Materials Science & Technology. 2017(08)
本文编号：3365881
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
第一章绪论5⑤必须安全，即避免电池的热失控，这个标准并不仅仅为某个电池单独设置，但在用于电动车辆和飞机等运输中需特别注意。⑥可逆脱嵌高度发生时，脱嵌过程中锂离子的自由能变小；⑦锂离子电池可逆容量大，电极电位不受锂离子插入数量影响，维持良好的电压平台；⑧循环寿命长，循环性能好；⑨材料的结构稳定、制作工艺简单、成本低，环保性好。关于这些的不同标准，必须对现有离子电池负极材料展开相关的探索。对锂离子电池负极材料进行分类如下：碳材料；锡基材料；硅基材料；氮化合物和其他一些新型铝合金阳极材料，图1-2为不同负极材料的能量密度。1.3.1碳负极材料作为还原性最强的元素，金属锂作为负极与强氧化剂结合得到高电压和高能量电池，有利于应用于更高的能量密度电源。然而，由于金属锂在充电过程中形成锂枝晶问题，相关的安全性和循环寿命问题似乎将其限制了它的进一步应用[28]。与原来的锂离子电池相比，负极为石墨烯的锂离子电池的能量密度只有很小的降低，但却大大提高了电池的使用寿命和安全性，很快实现了大规模的商业化[26]。石墨发生锂化后的极限化合物为LiC6，具有850mAhcm-3的能量密度和372mAhg-1的理论容量，其值与碳材料极为相似[30]。目前，诸如石墨烯，碳纳米管和无定形碳材料的碳材料常作为锂离子电池负极[31]。图1-2不同负极材料的能量密度
电子科技大学硕士学位论文8有的，由于Al和Si放电平台超过Li/Li+0.3-0.4V，适合用于锂的存储。缺点是充放电滞后比较大、循环稳定性差。目前研究比较多的有Si、Sn、Ge等。表1-1合金材料与其他材料性能对比材料LiCLi4Ti5O12SiSnMg密度(gcm-3)0.532.253.52.337.291.3锂化相LiLiC6Li7Ti5O12Li4.4SiLi4.4SnLi4.4Mg理论比容量(mAhg-1)386237217542009943350理论电荷密度2047837613978672464355体积变化(%)100121320260100对锂的电压(~V)00.051.60.40.60.1虽然硅具有较高的理论比容量，远超过石墨电极，氧化物和各种氮化物[47]。但强烈的体积膨胀，导致合金破裂而粉化，进一步对集流体与材料的电接触产生破坏，出现容衰减。由于在嵌锂时硅颗粒发生紧密接触，颗粒形貌和体积发生明显改变[48]。反之，脱锂时，颗粒间失去接触，剧烈的变化进一步导致容量的衰减。因此必须采取措施对材料优化，从降低与电解液的接触和减小体积膨胀出发，综合提升金属合金电化学性能。几种主要元素在合金化过程中体积变化达到96%~320%。因此目前金属合金材料材料并未商业化应用[49]。图1-3不同金属合金材料能量密度比较
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-Based Metal-Organic Framework and Its Derivatives for Reversible Lithium Storage[J]. Yan Jin,Chongchong Zhao,Yichao Lin,Deyu Wang,Liang Chen,Cai Shen. Journal of Materials Science & Technology. 2017(08)
本文编号：3365881
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