【摘要】：化石能源(煤、石油和天然氣)等傳統(tǒng)能源的使用,對全球的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了不可估量的作用。但在開采和使用化石能源的過程中,會帶來許多環(huán)境問題,例如地質(zhì)塌陷和酸雨等。另外,這些化石能源的儲量是有限的,且在短時(shí)間內(nèi)不可再生。隨著人口的增長,對能源的需求也越來越大,因此急需尋找一種環(huán)境友好且可以循環(huán)使用的能源,這種能源稱之為新能源。找到合適的新能源材料,方能在不影響環(huán)境的情況下更好的促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,推進(jìn)社會由工業(yè)文明進(jìn)入生態(tài)文明。鋰離子電池(Lithium ion batteries,LIBs)是近年來所發(fā)明的一種新能源。與傳統(tǒng)的蓄電池相比,鋰離子電池具有循環(huán)壽命長、環(huán)境友好、能量密度高和輸出電壓高等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn),鋰離子電池在電子產(chǎn)品和交通運(yùn)輸上有了廣泛的應(yīng)用。為了使鋰離子電池能用于高能量密度的產(chǎn)品上,需進(jìn)一步提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。負(fù)極材料作為鋰離子電池的一個(gè)重要組成部分,也是需要提高的一個(gè)重要對象�，F(xiàn)在商業(yè)上所用的負(fù)極材料為石墨,它雖然具有安全性高,成本低的優(yōu)點(diǎn),但是理論比容量很低(372 mAh/g),從而限制了鋰離子電池的電化學(xué)性能。所以需要尋找高容量的一些材料來替代石墨,如錫基材料、過渡金屬氧化物和硫化物等材料。這些材料雖然比容量較高,但卻由于體積膨脹和導(dǎo)電性差等原因使得循環(huán)性能比較差,容量衰減迅速。本研究從設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的碳復(fù)合材料入手,通過縮小材料尺寸、制備特殊形貌、包覆和與碳材料復(fù)合等多種策略以提高錫基材料、過渡金屬氧化物和硫化物等材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的電化學(xué)性能。具體工作如下:1.石榴狀碳包覆的多孔Cu_xSn_y/Sn/SnO_2亞微球用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究。錫基材料如銅錫合金、二氧化錫和錫在用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),因具有較高的理論比容量而備受關(guān)注。但由于該材料體積膨脹大和導(dǎo)電性差,使其在充放電時(shí)顯示出較差的循環(huán)性能。碳復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠提高材料導(dǎo)電性,多孔結(jié)構(gòu)能夠緩沖體積膨脹和有利于鋰離子傳輸,因此本文設(shè)計(jì)和制備了擁有納米顆粒、多孔結(jié)構(gòu)和碳包覆等特點(diǎn)的石榴狀多孔Cu_xSn_y/Sn/SnO_2/C亞微球來提高材料的電化學(xué)性能。該Cu_xSn_y/Sn/SnO_2亞微球的制備是將多巴胺在CuSn(OH)_6亞微球上原位聚合,再將所得產(chǎn)物置于H_2/Ar氣氛中煅燒而得到。Cu_xSn_y/Sn/SnO_2/C亞微球在作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。測試結(jié)果表明,該Cu_xSn_y/Sn/SnO_2/C亞微球負(fù)極材料在200 mA/g的電流密度下循環(huán)150圈后其放電比容量仍能保持在604 mAh/g�；贑u_xSn_y/Sn/SnO_2/C亞微球所表現(xiàn)的優(yōu)異性能,有希望成為一種新型的鋰離子電池負(fù)極材料。2.三明治結(jié)構(gòu)的C@SnO_2/Sn/void@C空心球用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究。二氧化錫在用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),因體積膨脹而導(dǎo)致循環(huán)性能較差。而空心結(jié)構(gòu)、碳包覆和引入錫成分可以緩沖材料在充放電過程中的體積膨脹,縮短鋰離子的傳輸距離以及增加材料的導(dǎo)電性和比容量,從而提升材料的電化學(xué)性能。因此,本文設(shè)計(jì)和制備了三明治結(jié)構(gòu)的C@SnO_2/Sn/void@C空心球。其制備方法是以SnO_2空心球?yàn)樽阅０?用多巴胺在SnO_2空心球的內(nèi)表面和外表面聚合,隨后碳化。C@SnO_2/Sn/void@C HSs用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)展現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能。在0.5 A/g的電流密度下,循環(huán)60次后,其放電容量還能保持在786.7 mAh/g。同時(shí)還研究了在不同煅燒溫度和氣氛下所得的產(chǎn)物及其相關(guān)的電化學(xué)性能。結(jié)果也表明C@SnO_2/Sn/void@C HSs的循環(huán)性能和倍率性能更好。這種簡單合成特殊結(jié)構(gòu)的C@SnO_2/Sn/void@C HSs的方法也可以應(yīng)用于其它負(fù)極材料的制備。3.三維多孔的MnO/void/NC復(fù)合物用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究。氧化亞錳(MnO)用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),有著相當(dāng)高的理論比容量,但是由于其導(dǎo)電性差和體積膨脹等缺點(diǎn),所以容量衰減迅速�？谞罱Y(jié)構(gòu)可以緩解物質(zhì)在鋰離子充放電過程中的體積膨脹。而氮摻雜三維碳框架既能提高材料的導(dǎo)電性,又能提供更多的鋰離子傳輸通道,還能為鋰儲存提供活性位點(diǎn)。因此,本文設(shè)計(jì)和制備了一種新型的有空隙的三維孔狀碳復(fù)合材料以提高M(jìn)nO的電化學(xué)性能。這種復(fù)合物是用一維的MnO納米棒和三維的碳框架構(gòu)建的,簡稱為3Dp-MnO/void/NC復(fù)合物。當(dāng)3Dp-MnO/void/NC復(fù)合物用作鋰離子電池負(fù)極材料的時(shí)候,即可表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它在200 mA/g的電流密度下循環(huán)150圈后還能釋放出1000 mAh/g的比容量。這種3Dp-MnO/void/NC復(fù)合物的構(gòu)建方法可以延伸到改善其它過渡金屬氧化物做為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的電化學(xué)性能。4.Nanosheets-on-channel結(jié)構(gòu)的ReS_2@CMK-3復(fù)合物用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究。硫化錸(ReS_2)在制備過程中容易團(tuán)聚,且用作鋰離子電池時(shí)因?qū)щ娦圆詈腕w積膨脹導(dǎo)致循環(huán)性能差。CMK-3可以防止ReS_2納米片團(tuán)聚,提供有序的孔道,還可以提升復(fù)合物的導(dǎo)電性。因此,本文設(shè)計(jì)并制備了將超薄的ReS_2納米片生長在CMK-3通道上(即Nanosheets-on-channel結(jié)構(gòu))的ReS_2@CMK-3復(fù)合材料。該復(fù)合物是以CMK-3充當(dāng)納米反應(yīng)器,通過簡便的一步水熱法制得。所得的ReS_2@CMK-3復(fù)合材料具有大的比表面積、有序介孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的導(dǎo)電性,從而能夠提高材料的電化學(xué)性能。與原始的ReS_2相比,ReS_2@CMK-3復(fù)合材料在用作鋰離子負(fù)極材料時(shí)展現(xiàn)出放電容量大、循環(huán)性能好和倍率性能高的特點(diǎn)。在0.5 A/g的電流密度下,ReS_2@CMK-3復(fù)合物循環(huán)200圈后還能釋放620 mAh/g的可逆容量,意味著它有用作新型的負(fù)極材料的潛質(zhì)。5.蓬松的碳包覆ReS_2納米花用作鋰離子電池負(fù)極材料的研究。與碳復(fù)合是常用的一種提高硫化錸(ReS_2)電化學(xué)性能的方法,但在以往的報(bào)道中碳材料與ReS_2的接觸面積有限,ReS_2并沒有得到更好的保護(hù)。碳包覆可以增加接觸面積和緩解體積膨脹,因此本文設(shè)計(jì)合成了一種具有蓬松結(jié)構(gòu)的碳包覆的ReS_2納米花(簡稱為ReS_2/納米花)。在制備過程中聚乙二醇不僅用來縮小復(fù)合物的尺寸,同時(shí)還充當(dāng)碳源。相比普通的ReS_2,ReS_2/C納米花擁有更小的顆粒尺寸(~200 nm)、蓬松的結(jié)構(gòu)和與碳之間較大的接觸面積。這使得ReS_2/C納米花更有利于鋰離子傳輸,緩沖體積膨脹和提高復(fù)合物的導(dǎo)電性。當(dāng)ReS_2/C納米花用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)擁有優(yōu)異的電化學(xué)性能,在215 mA/g的電流密度下首圈比容量能達(dá)到501 mAh/g,且在循環(huán)100圈后還有98%的容量保持率。這種結(jié)構(gòu)及其制備方法還可以用于其他的過渡金屬硫化物。
【圖文】：

如圖1.1 所示（以正極 LiCoO2，負(fù)極石墨為例）[17]。在充電的時(shí)候鋰離子從正極活性物質(zhì) LiCoO2的晶格中脫嵌而出，通過有機(jī)電解液穿過隔膜到達(dá)負(fù)極（C）。而電子則通過外電路傳輸至外電路，保持電荷平衡。其正極和負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)式如下:正極：LiCoO2→ Li1-xCoO2+xLi++xe-負(fù)極：6C+xLi++ xe-→ LixC6而在放電過程中，鋰離子從富鋰態(tài)的碳負(fù)極脫嵌出來，，通過電解液和隔膜達(dá)到

的傳遞像搖椅一樣搖來搖去，Armand 將鋰離子電池稱為“搖椅電圖 1.1 鋰離子電池原理示意圖，以 LiCoO2為正極和石墨為負(fù)極[17]。. 1.1 A schematic presentation of lithium ion battery based on graphite anodes and Licathodes[17].
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM912;TB33

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

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本文編號：2644381