【摘要】：環(huán)保和低碳經(jīng)濟的概念已經(jīng)在全球范圍內(nèi)推廣,新能源的開發(fā)和電動汽車的發(fā)展是低碳和環(huán)保的重要環(huán)節(jié),和之相應(yīng)的智能電網(wǎng)的構(gòu)筑和電動車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建立也是勢在必行的。新型可再生能源的存儲和電能的輸送、轉(zhuǎn)移都需要運用鋰離子電池。另外,在手機、手提電腦等各種電子產(chǎn)品普及的年代,鋰離子電池的應(yīng)用也越來越多,其性能可以說直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量和用戶的使用體驗。各種便攜電子產(chǎn)品的快速增長,可再生能源的能量存儲、環(huán)保型電動汽車的發(fā)展等都對電池的高容量、長壽命、高倍率和低價格有著強烈的需求。電池中的電極材料是電池的重要組成部分,也決定著電池最高可實現(xiàn)的理論容量,對電池的循環(huán)性能、倍率性能和安全性也有重要的影響。目前市場上的鋰離子電池絕大部分采用石墨作為負極材料,而石墨的理論容量為372 mAh g~(-1),已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的需求了,因而,開發(fā)高容量的鋰電負極材料十分必要。SnO_2負極材料一直備受關(guān)注,其理論容量高達871 mAh g~(-1),被認為是潛在的新一代高性能鋰離子電池負極材料。但是SnO_2負極材料在循環(huán)的過程中存在首次庫倫效率低、循環(huán)性能差的問題,主要是由于SnO_2的不可逆還原以及Sn和Li合金化過程中巨大的體積變化導(dǎo)致的。本課題旨在引入金屬有機框架化合物(MOF)材料解決SnO_2負極材料存在的問題,設(shè)計構(gòu)筑了Co/SnO_2@C納米立方塊和CNTs@SnO_2/C納米線。本課題主要研究結(jié)果如下:(1)引入了一種簡單易行、具有普適性的熱固相法得到MOF殼層包覆的中間產(chǎn)物,再進一步碳化得到Co/SnO_2@C納米立方塊,使其集合了納米尺度、大量的內(nèi)部孔隙、金屬摻雜和多孔均勻碳包覆的結(jié)構(gòu)特征�；诂F(xiàn)有電池組裝和電化學(xué)測試技術(shù),利用循環(huán)伏安、恒流充放電、交流阻抗等測試方法檢測了Co/SnO_2@C納米立方塊作為鋰離子電池負極材料的電化學(xué)性能。Co/SnO_2@C納米立方塊在200 mA g~(-1)電流密度下循環(huán)約100圈之后,容量仍高達~800 mAh g~(-1),在5 A g~(-1)的大電流密度下循環(huán)1800圈之后仍能保持400 mAh g~(-1)。Co/SnO_2@C納米立方塊優(yōu)異的電化學(xué)性能歸結(jié)于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢:多孔碳包覆既增強了導(dǎo)電性也起到了抑制活性物質(zhì)擴散、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用;Co金屬的摻雜促進了SnO_2可逆轉(zhuǎn)化的同時也貢獻了容量;其納米尺度和豐富的內(nèi)部孔隙則有效地緩解了體積膨脹。(2)將SnO_2成功地復(fù)合在碳納米管表面,構(gòu)筑了負載超細SnO_2顆粒的CNTs@SnO_2/C納米線結(jié)構(gòu),CNTs@SnO_2/C納米線在作為鋰離子電池負極材料的電化學(xué)性能測試中,在100 mA g~(-1)電流密度下循環(huán)70圈后能夠釋放~900 mAh g~(-1)的高容量。CNTs@SnO_2/C納米線中CNTs的存在顯著提高了電極導(dǎo)電性,而SnO_2超小尺寸和復(fù)合的C也極大地促進了電化學(xué)反應(yīng)速率,緩解了材料內(nèi)部應(yīng)力。
【圖文】：

鋰離子電池的商業(yè)化產(chǎn)品根據(jù)具體用途有非常多的形式，但是所有的鋰離子電池的內(nèi)部基本構(gòu)造相同，包括：外殼、電極（正極和負極）、隔膜、電解質(zhì)，如圖1-1所示[25-31]。圖 1-1 商業(yè)化鋰離子電池實物圖及組成示意圖（1） 電池的外殼作為正負極的引出端，必須是優(yōu)良的導(dǎo)體，因此一般是金屬材質(zhì)，例如：不銹鋼、鋁制膜和鋁塑膜等。鋁質(zhì)輕，應(yīng)用于電池時的安全性也比鋼材要好。目前手機電池都是采用鋁制電池殼。但是鋁制電池殼也有缺

的電化學(xué)反應(yīng)類型分為：嵌入型、轉(zhuǎn)換反應(yīng)型和合金反應(yīng)型，由此鋰離子電池的電極材料也對應(yīng)分為嵌入型、轉(zhuǎn)換反應(yīng)型和合金反應(yīng)型電極材料。如圖1-2所示，對于嵌入型電極材料來說，鋰離子電池在放電的時候，由于正負極處存在鋰離子的濃度差異，鋰離子會通過電解質(zhì)從正極遷移到負極，進入到嵌入型電極材料開放的孔道中。鋰離子不改變原有材料的結(jié)構(gòu)，不占據(jù)電極材料中原有的晶格位點，只是進入原子間的孔隙當中，與電極材料形成固溶體。而在充電的過程中，嵌入在負極材料中的鋰離子就會在電場的作用下，，脫嵌出來，再經(jīng)過電解質(zhì)和隔膜，回到正極。根據(jù)鋰離子在電池中運動特征，即它在正負兩極之間的來回運動，鋰離子電池被稱為“搖椅式電池”[32-34]。對于轉(zhuǎn)換反應(yīng)型電極材料
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912;TB33

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本文編號：2633418