隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重,人們亟需新一代儲(chǔ)能設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料,緩解儲(chǔ)能危機(jī)。鋰離子電池（LIBs）由于其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)在儲(chǔ)能領(lǐng)域備受關(guān)注。然而,目前石墨型負(fù)極材料理論容量較低,已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的能量需求,所以,研究者們需要尋找擁有高理論容量且優(yōu)異循環(huán)性能的負(fù)極材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨負(fù)極材料。IVA族元素由于其高的理論容量而被認(rèn)為是最具有潛力的負(fù)極材料,但是脫嵌鋰過程中巨大的體積膨脹導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)崩塌,粉化,嚴(yán)重影響了循環(huán)穩(wěn)定性�；谏鲜鰡栴},設(shè)計(jì)制備鍺基納米多孔結(jié)構(gòu),并且引入導(dǎo)電性優(yōu)異和小體積膨脹率的剛性材料,緩解鍺基巨大的體積變化和較差的導(dǎo)電性。本文通過采用電弧熔煉爐熔煉和高真空旋淬系統(tǒng)甩帶,并采用條件溫和的選擇性腐蝕來制備納米級(jí)三維互連孔道結(jié)構(gòu)的鍺基復(fù)合材料。這種濕化學(xué)方法制備的鍺基納米復(fù)合材料應(yīng)用在鋰電負(fù)極中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。本文的主要內(nèi)容:1.結(jié)合三元相圖分析,設(shè)計(jì)制備了組分均勻可控的GeCuAl、GeTiAl和GeAgAl三元合金。選擇合適的腐蝕條件刻蝕化學(xué)性質(zhì)較活潑鋁原子,得到三維互連的納米孔道結(jié)構(gòu),如納米多孔Ge/Cu_3... 

【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省

【文章頁(yè)數(shù)】：72 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

幾種不同體系電池的能量密度與功率密度的比較圖

納米多孔鍺基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備及儲(chǔ)鋰性能研究21.1.2鋰離子電池的基本構(gòu)造鋰離子電池依次由負(fù)極殼、低電勢(shì)的負(fù)極、隔膜、高電勢(shì)的正極、墊片、彈片和正極殼組成，并浸潤(rùn)在電解液中，對(duì)于鋰離子電池，影響其電化學(xué)性能和安全性能的主要有正負(fù)極材料、電解液和隔膜，而負(fù)極材料是提升電池容量的關(guān)鍵。通常，材料具備低電壓窗口、小體積變化率和環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)才可稱之為理想的負(fù)極材料[5]。正極材料主要有層狀的LiMO2(Ni,Co,Mn)和尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4等，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。通常使用PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)等高分子膜作為隔膜，其作用是為了防止正負(fù)極直接接觸導(dǎo)致的短路。鋰離子電池通常由鋰鹽(LiPF6、LiClO4等)和多種按比例摻混的有機(jī)碳酸酯作為電解液，電解液應(yīng)具有電子電導(dǎo)率高、電勢(shì)窗口寬、安全性能高、廉價(jià)易制備的特點(diǎn)[6]。鑒于電極材料與電解液的兼容性，摻入少量的成膜添加劑有利于增強(qiáng)電池的循環(huán)穩(wěn)定性[7]。1.1.3鋰離子電池的工作原理圖1.2是鋰離子電池的工作原理圖。以LiCoO2為正極，石墨為負(fù)極，電池充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，并嵌入負(fù)極；放電時(shí)，鋰離子則從負(fù)極脫出，嵌入正極。充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極之間來回穿梭，實(shí)現(xiàn)了電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換[8]。電化學(xué)表達(dá)式如下：正極反應(yīng)：LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe-+6C→LixC6總反應(yīng)：LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖

納米多孔鍺基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)制備及儲(chǔ)鋰性能研究6(1)鈷氧化物基材料氧化鈷，諸如Co3O4和CoO之類的氧化鈷具有相對(duì)較高的理論容量，分別為890和715mAhg-1[42,43]。最近，研究者們合成了Co3O4基納米材料用作LIB陽(yáng)極，包括中孔Co3O4，多孔Co3O4納米片，Co3O4納米線陣列，針狀Co3O4納米管，多壁CNT/Co3O4納米復(fù)合材料，和Co3O4納米棒[44-49]。Li等人開發(fā)了無(wú)模板方法用于自支撐Co3O4納米線陣列的大面積生長(zhǎng)[46]。納米線的直徑為500nm，長(zhǎng)度為15mm，它們從基底垂直生長(zhǎng)(圖1.3a&b)。與其他無(wú)支撐的納米線和市售粉末相比，Co3O4納米線陣列顯示出優(yōu)異的容量保持能力。自支撐的Co3O4納米線陣列報(bào)道的結(jié)果表明，在1C的第一個(gè)循環(huán)中，充電和放電容量分別約為1124和859mAhg-1。20個(gè)循環(huán)后納米線陣列保持700mAhg-1的穩(wěn)定容量。在相同條件下，市售的Co3O4粉末的容量明顯降低了80mAhg-1，而未支撐的納米線在20個(gè)循環(huán)后僅顯示了350mAhg-1的容量(圖1.3c)。自支撐的Co3O4納米線陣列也顯示出高倍率能力(圖1.3d)。自支撐納米線陣列的大容量和高速率能力歸因于其獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)。CoO納米結(jié)構(gòu)材料，例如Li2O-NiO-CoO復(fù)合材料和Ni泡沫負(fù)載的網(wǎng)狀CoO-Li2O復(fù)合材料，也已被用作LIB的陽(yáng)極[50,51]。Xia等人通過濕滲透法制備了負(fù)載有CoO納米粒子的空心碳球[52]。中空的碳球起到了結(jié)構(gòu)支撐的作用，阻礙了CoO顆粒的團(tuán)聚，并充當(dāng)了鋰存儲(chǔ)的主體。Zhang等人還通過溶劑熱法合成CoO/碳雜化微球提高了性能[53]。圖1.3從(a)頂部和(b)傾斜40度時(shí)看到，在Ti箔上生長(zhǎng)的Co3O4納米線陣列的SEM圖像。(b)的插圖顯示了納米線的開放尖端。(c)自支撐的Co3O4納米線陣列，未支撐的(破碎的)Co3O4納米線和市售Co3O4粉末的比容量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。對(duì)于每組數(shù)據(jù)，上面的曲線用于放電，下面的曲線用于充


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