高性能锂离子电池负极材料的设计研究

发布时间：2017-12-21 06:00

  本文关键词：高性能锂离子电池负极材料的设计研究　出处：《南京大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：锂离子电池由于拥有较高的能量密度以及较长的循环寿命而在移动设备,电动汽车以及智能器件领域受到较大关注。但是,商用的石墨负极材料由于其较低的理论比容量(372mAhg-1)而越来越跟不上时代的步伐。因此,高比容量,高循环寿命,高倍率性能的替代品是急需的。基于二氧化锡的负极材料由于拥有较高的质量比容量(1494mAh g-1),较高的丰度而被认为是最有希望替代石墨负极的下一代新型负极材料之一。然而锡基材料由于在充放电过程中会产生超过300%的体积膨胀而导致电极的粉化,从而进一步导致电池容量的衰减直至坏死。科研工作者们针对这个问题做了很多的努力。一个有效的方法就是将材料纳米化。因为纳米电极不仅可以缩短锂离子的迁移路程而且可以使得Sn + 2Li2O(?)Sn02 + 4Li+ + 4e-这一反应变得可逆。这一反应的可逆直接将二氧化锡的理论比容量从781 mAh g-1提升到了 1494 mAh g-1。另外,将二氧化锡与碳系材料进行复合也是一种有效的改善方法。在本论文的工作中,我们设计并合成了一种类石榴型锡碳复合材料来改善二氧化锡负极材料膨胀带来的问题。这一改进结构拥有着极高的能量密度(928 mAh g-1)。并且在2 Ag-1的大电流条件下也可以获得1000次循环91%的容量保持率(853-779 mAh g-1)。除此之外,我们还设计合成了蜂巢状二氧化锡@石墨烯复合结构。我们将二氧化锡纳米结晶嵌于三维石墨烯结构中。纳米二氧化锡结晶的膨胀都被三维石墨烯结构所吸收。并且在200次循环之后仍然能保有1090 mAh g-1的容量。并且,在更高的电流5 Ag-1的条件下还能保有491 mAh g-1的比容量。虽然新型负极材料膨胀的问题可以通过将材料纳米化以及与碳系材料的复合来解决,但是纳米材料压不紧以及这类新型材料低首效率的问题依然无法得到解决。因此,我们利用高分子冷加工的方法来改善纳米材料压实密度低的问题。通过这一方法我们获得了高密度的锡碳复合负极材料。其密度提高到了 3.14 g cm3(块状)以及1.93 gcm3(粉末状)。针对首效率低的问题,我们也设计了原电池的方法来做了改进,通过这一方法,首次库伦效率达到了 92.7%甚至更高。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

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本文编号：1314941