【摘要】：隨著便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車的快速發(fā)展,對(duì)鋰離子電池的能量密度和功率密度的要求逐漸提高。目前商用的鋰離子電池負(fù)極材料多是石墨材料,其較低的理論比容量(372 mAh/g)嚴(yán)重制約了鋰離子電池能量密度和功率密度的提升。由于理論比容量高、來源廣泛、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),過渡金屬氧化物被認(rèn)為是理想的鋰離子電池的負(fù)極材料。但是其導(dǎo)電性差、電子遷移速率慢和嚴(yán)重的體積效應(yīng)等弊端阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。許多研究通過納米技術(shù)和包覆改性技術(shù),使過渡金屬氧化物材料納米化,或者表面包覆導(dǎo)電相材料,改善了鋰離子電池性能。但目前的包覆改性技術(shù)均是多步法,分別合成過渡金屬氧化物和包覆相材料,然后進(jìn)行物理兩相混合。這種物理多步包覆方法存在混合不勻、包覆厚度不能精確控制等缺點(diǎn)。針對(duì)過渡金屬氧化物的包覆改性這一共性關(guān)鍵問題,本論文以部分過渡金屬氧化物(Fe_2O_3,SnO_2,ZnO)為研究對(duì)象,綜合納米技術(shù)和碳層包覆技術(shù),通過設(shè)計(jì)原位一步化學(xué)自組裝方法,制備了彈性納米碳層(無定形碳和薄層石墨)包覆的過渡金屬氧化物,并應(yīng)用到儲(chǔ)能器件中,研究了其電化學(xué)性能。原位化學(xué)自組裝為一步過程,可以通過有機(jī)物的添加量控制包覆層厚度。納米碳層具有良好的電導(dǎo)率,能促進(jìn)過渡金屬氧化物的電荷傳導(dǎo);并且作為彈性緩沖層,能緩沖電極材料膨脹/收縮導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力,減緩過渡金屬氧化物納米粒子的體積變化,保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;而且原位化學(xué)自組裝制備的納米碳層包覆過渡金屬氧化物具有多孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積,能增加電極材料的儲(chǔ)鋰活性位點(diǎn)并減緩體積變化;此外,過渡金屬氧化物與包覆碳材料具有協(xié)同效應(yīng),能催化碳材料石墨化,改善其電化學(xué)性能。1.采用分子靜電自組裝方法合成核殼結(jié)構(gòu)的薄層石墨包覆的α-Fe_2O_3@graphite納米花狀復(fù)合材料,并應(yīng)用到鋰離子電池負(fù)極材料。在1 C的高電流密度下循環(huán)1000圈后,α-Fe_2O_3@graphite電極材料的比容量仍然高達(dá)518.5 mAh/g。2.通過一種簡易的水熱分子自組裝方法成功制備出了新型蠶繭狀結(jié)構(gòu)的α-Fe_2O_3@C納米顆粒,并組裝成儲(chǔ)能器件,研究其儲(chǔ)能性能。Fe_2O_3@C納米粒子在1 C的電流密度下,經(jīng)過150圈充放電循環(huán)后,比容量為358 mAh/g。并以α-Fe_2O_3@C納米復(fù)合材料為活性材料,以泡沫Ni為集流體制備了一種三明治結(jié)構(gòu)的電極,應(yīng)用于超級(jí)電容器,在0.5 A/g的電流密度下比電容高達(dá)406.9 F/g。在10 A/g的高電流密度下經(jīng)2000圈循環(huán)后,具有90.7%的容量保持率。3.利用植物纖維為模板,自組裝制備了SnO_2@C納米棒復(fù)合材料,并規(guī)避了傳統(tǒng)方法中的模板脫去步驟。SnO_2@C復(fù)合材料表現(xiàn)出了更佳的循環(huán)性能和倍率性能。由一維納米棒堆疊形成的3D納米多孔SnO_2@C復(fù)合材料可以縮小Li~+嵌入/脫出距離,提高電子遷移率;此外,包覆的納米碳層可以減緩SnO_2材料的體積變化,改善了SnO_2電極材料的循環(huán)性能和倍率性能。4.以鋅鹽和有機(jī)配體通過MOF配位自組裝合成了ZIF-8前驅(qū)體,在高純N_2氣氛中煅燒制備了N-摻雜、碳包覆的3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ZnO@C復(fù)合材料。ZnO@C具有良好的熱穩(wěn)定性,比表面積高達(dá)449.3 m~2/g;N-摻雜、碳包覆層能增強(qiáng)ZnO的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,有效改善了ZnO材料的電化學(xué)性能。
【圖文】：

武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文第 1 章 緒論離子電池研究背景經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，，各種便攜式電子產(chǎn)品日益普及，電池作為一設(shè)備日益受到關(guān)注。我國已經(jīng)成為電池生產(chǎn)與消費(fèi)大國，面霧霾等各種環(huán)境問題，急需大力發(fā)展綠色能源。大多數(shù)綠色因素的影響，這也為能量儲(chǔ)存的材料開發(fā)帶來了巨大的研究學(xué)儲(chǔ)能器件相比，鋰離子電池(Li-ion Batteries，LIB)具有高能命等優(yōu)勢逐漸成為近年的研究熱點(diǎn)。

的對(duì) LIB 材料和系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)[3]。離子電池發(fā)展簡史子電池因?yàn)槠渲亓枯p、電化學(xué)電位高且在非水電解質(zhì)中穩(wěn)定了廣泛的使用。有史以來的第一款電池是由 Alessandro Volt，被稱為伏打電池[4]。隨著 19 世紀(jì)中葉發(fā)電機(jī)的發(fā)明，對(duì)可需求開始增加，并導(dǎo)致了鉛酸電池的出現(xiàn)。20 世紀(jì)末期，隨產(chǎn)品(手機(jī)，攝像機(jī)，便攜式計(jì)算機(jī)等)的發(fā)展，高能量密度電量需求。鉛酸電池和鎳鎘由于具有環(huán)境污染的問題，都不適用。鋰原電池在 20 世紀(jì) 60 年代末和 70 年代初被成功的進(jìn)行著埃克森美孚 Li/TiS2系統(tǒng)的開發(fā)成功，可充電鋰金屬電池的展。自從 1990 年索尼公司制造出第一款商用鋰離子電池以來生活的一部分，LIB 在過去的 20 多年里不斷取得新的研究進(jìn)車、負(fù)載平衡、傳統(tǒng)綠色能源(太陽能，風(fēng)能等)的儲(chǔ)能等許多用。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;TB33

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本文編號(hào)：2662385