發(fā)布時間：2020-07-18 07:50

【摘要】：隨著化石能源的逐漸枯竭、環(huán)境污染問題的日益加劇,開發(fā)清潔、綠色環(huán)保、高效節(jié)能的新能源得到了大家的廣泛關注。鋰離子電池由于其高比容量、長循環(huán)壽命、無記憶效應、綠色環(huán)保等優(yōu)點,被認為是目前最具有前景的儲能器件之一。近年來鋰離子電池已廣泛應用于便攜式電子產(chǎn)品,如筆記本電腦、數(shù)碼相機、移動電話等,并在電動車、智能電網(wǎng)、電動汽車等大功率器件領域展現(xiàn)了廣闊的應用前景。開發(fā)高比能量、高比功率的負極材料是提高鋰離子電池性能的關鍵因素之一。其中過渡(雙)金屬氧(硫)化物具有理論比容量高、價格低廉、資源豐富且易大規(guī)模制備等優(yōu)點,是鋰離子電池負極材料的研究熱點之一。但它們存在導電性差、體積效應嚴重導致倍率性能不好、循環(huán)穩(wěn)定性差等亟需解決的問題。本論文通過將納米過渡金屬化合物與碳材料復合,在導電基底泡沫鎳上合成自支撐雙金屬硫化物等改性方法,有效提高其電化學性能。主要的研究內容與結論如下:(1)Co_3O_4@NC復合材料的制備及其電化學性能的研究。以三聚氰胺為碳源和氮源,乙酸鈷為鈷源,草酸銨為沉淀劑,采用沉淀法得到前驅體材料后,進行高溫碳化和低溫氧化處理,獲得Co_3O_4@NC(四氧化三鈷@氮摻雜碳)復合材料。通過優(yōu)化鈷源的量(25 mmol)可控得到海星狀Co_3O_4@NC-2復合材料。結構表征發(fā)現(xiàn),它是由四氧化三鈷納米顆粒組成,并且在其外表面包覆著一層碳的二級微納結構。電化學測試顯示,在200 mA/g電流密度下循環(huán)100次后,放電比容量為747.6 mA h/g,容量保持率為85.1%。在500 mA/g電流密度下循環(huán)300次后,放電比容量達到596.4 mA h/g。優(yōu)異的循環(huán)性能歸于其表面氮摻雜碳的均勻包覆。(2)三維連通MoS_2/NPC-NCNTs復合材料的原位構建及其電化學性能研究。首先以三聚氰胺為碳、氮源,二氧化硅作為介孔模板,采用微乳液法制備三聚氰胺-甲醛樹脂,然后熱處理,在樹脂的碳化過程中同時進行催化反應,形成氮摻雜碳納米管和無定形碳共同搭建的三維碳基體網(wǎng)絡結構,最后通過水熱法得到MoS_2/NPC-NCNTs(二硫化鉬/氮摻雜多孔碳-碳納米管)復合材料。結構表征發(fā)現(xiàn),三維連通的氮摻雜多孔碳-碳納米管網(wǎng)絡碳基底具有類似于鋼筋混凝土的結構,多孔碳與碳納米管互相交聯(lián),二硫化鉬納米片牢固的錨定在碳基底材料中。它作為鋰離子電池負極材料在200 mA/g電流密度下循環(huán)100次后,放電比容量高達1056.4 mA h/g,容量保持率為86.7%,在1000 mA/g電流密度循環(huán)400次后,放電比容量仍保留有526.1 mA h/g,即使在4000 mA/g大電流密度下,其放電比容量仍保留有452.2 mA h/g。優(yōu)異的循環(huán)、倍率性能歸因于材料獨特的結構、導電碳基底的引入和氮摻雜特性。(3)自支撐CoMoS_4的制備及其電化學性能的研究。首先以鉬酸鈉、乙酸鈷為原料,通過水熱法和熱處理工藝在泡沫鎳基底上生長CoMoO_4,然后對其硫化,得到自支撐CoMoS_4電極。結構表征發(fā)現(xiàn),CoMoO_4納米片均勻地生長在泡沫鎳上,硫化后形貌發(fā)生改變,形成蜂窩狀的CoMoS_4。它在100 mA/g電流密度下首次充放電比容量為1678.3 mA h/g和1914.8 mA h/g,首次庫侖效率為87.6%,在200 mA/g電流密度下循環(huán)40次后,放電比容量仍保留有1184 mA h/g,遠高于CoMoS_4粉末樣品。蜂窩狀CoMoS_4電極應用于鈉離子電池中同樣也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,即使在1000 mA/g電流密度下,比容量仍高達944.3 mA h/g。泡沫鎳基底對自支撐電極倍率性能的提高起了關鍵的作用。首次庫侖效率的提高歸因于鎳促進了活性物質與鋰(鈉)轉換反應逆反應的進行。本論文為碳包覆多孔二級微納結構的制備提供了一種簡單的方法,為原位構建三維氮摻雜多孔碳-碳納米管網(wǎng)絡碳基底提供了一種可行的策略,也為過渡金屬化合物儲鋰負極材料電化學性能的提高,特別是首次庫侖效率提供了一種思路,為儲鋰(鈉)負極材料的進一步開發(fā)奠定了良好的基礎。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM912
【圖文】：

鋰離子電池工作原理示意圖

碳負極材料的分類Fig1.2Theclassificationofthecarbonanodematerials非石墨類硬碳

多孔蝴蝶狀Co3O4形成機理圖

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本文編號：2760617