隨著環(huán)境污染和能源危機日益嚴重,人們亟需新一代儲能設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化石燃料,緩解儲能危機。鋰離子電池（LIBs）由于其高能量密度、長循環(huán)壽命、環(huán)保無污染等特點在儲能領域備受關注。然而,目前石墨型負極材料理論容量較低,已經(jīng)不能滿足日益增長的能量需求,所以,研究者們需要尋找擁有高理論容量且優(yōu)異循環(huán)性能的負極材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨負極材料。IVA族元素由于其高的理論容量而被認為是最具有潛力的負極材料,但是脫嵌鋰過程中巨大的體積膨脹導致其結(jié)構(gòu)崩塌,粉化,嚴重影響了循環(huán)穩(wěn)定性。基于上述問題,設計制備鍺基納米多孔結(jié)構(gòu),并且引入導電性優(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三維互連孔道結(jié)構(gòu)的鍺基復合材料。這種濕化學方法制備的鍺基納米復合材料應用在鋰電負極中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。本文的主要內(nèi)容:1.結(jié)合三元相圖分析,設計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】：濟南大學山東省

【文章頁數(shù)】：72 頁

【學位級別】：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

納米多孔鍺基復合材料的設計制備及儲鋰性能研究21.1.2鋰離子電池的基本構(gòu)造鋰離子電池依次由負極殼、低電勢的負極、隔膜、高電勢的正極、墊片、彈片和正極殼組成，并浸潤在電解液中，對于鋰離子電池，影響其電化學性能和安全性能的主要有正負極材料、電解液和隔膜，而負極材料是提升電池容量的關鍵。通常，材料具備低電壓窗口、小體積變化率和環(huán)保無污染等特點才可稱之為理想的負極材料[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)成功實現(xiàn)商業(yè)化應用。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極直接接觸導致的短路。鋰離子電池通常由鋰鹽(LiPF6、LiClO4等)和多種按比例摻混的有機碳酸酯作為電解液，電解液應具有電子電導率高、電勢窗口寬、安全性能高、廉價易制備的特點[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，石墨為負極，電池充電時，鋰離子從正極脫出，并嵌入負極；放電時，鋰離子則從負極脫出，嵌入正極。充放電過程中，鋰離子在正負極之間來回穿梭，實現(xiàn)了電能和化學能之間的轉(zhuǎn)換[8]。電化學表達式如下：正極反應：LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe-負極反應：xLi++xe-+6C→LixC6總反應：LiCoO2+6C→Li1-xCoO2+LixC6圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖

納米多孔鍺基復合材料的設計制備及儲鋰性能研究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納米復合材料，和Co3O4納米棒[44-49]。Li等人開發(fā)了無模板方法用于自支撐Co3O4納米線陣列的大面積生長[46]。納米線的直徑為500nm，長度為15mm，它們從基底垂直生長(圖1.3a&b)。與其他無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納米線陣列報道的結(jié)果表明，在1C的第一個循環(huán)中，充電和放電容量分別約為1124和859mAhg-1。20個循環(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特的分層結(jié)構(gòu)。CoO納米結(jié)構(gòu)材料，例如Li2O-NiO-CoO復合材料和Ni泡沫負載的網(wǎng)狀CoO-Li2O復合材料，也已被用作LIB的陽極[50,51]。Xia等人通過濕滲透法制備了負載有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顆粒的團聚，并充當了鋰存儲的主體。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度時看到，在Ti箔上生長的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)的關系。對于每組數(shù)據(jù)，上面的曲線用于放電，下面的曲線用于充


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