五氧化二釩（V2O5）是一種具有層狀結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物,具有較高的嵌鋰電位,用作鋰離子電池正極材料時,具有比容量高、造價低的優(yōu)點。但V2O5較差的離子和電子電導(dǎo)率會造成電池循環(huán)過程中嚴重的容量衰減,影響其進一步實際應(yīng)用。針對上述問題,本文設(shè)計并構(gòu)筑了三種不同結(jié)構(gòu)的納米V2O5/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。通過XRD、XPS、拉曼光譜、氮氣吸脫附、SEM、TEM等結(jié)構(gòu)、形貌表征,以及循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等電化學(xué)行為分析,研究其構(gòu)效關(guān)系,發(fā)展高性能V2O5/氮摻雜石墨烯儲鋰材料。通過液相法制備V2O5·nH2O納米線/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料后,采用熱處理工藝將V2O5·nH2O轉(zhuǎn)化為正交相V2O5,得到V2O5納米線/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料。氮摻雜石墨烯不僅可以提高材料的電導(dǎo)率,還能防止納米線結(jié)構(gòu)在熱處理過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化,提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。上述結(jié)構(gòu)特性有效提高了 V2O5的電化學(xué)性能。在100、200、500、1000和2000 mA g-1的電流密度下,V2O5納米線/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的放電容量分別為273、242、206、181和161 mAh g-1。通過水熱結(jié)合熱處理... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：138 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

幾種二次電池能量密度的對比[32]

第1章緒論-3-1.2.1鋰離子電池工作原理與眾多電池結(jié)構(gòu)相似，鋰離子電池主要由正極、負極、電解質(zhì)、隔膜以及電池外殼等部分組成，通過鋰離子在正負極之間的遷移實現(xiàn)鋰離子電池的充電和放電過程。在放電過程中，鋰離子從負極脫出，在電解液中遷移至正極，嵌入正極材料，電子在外電路從負極遷移至正極。在充電過程中，鋰離子從正極脫出并遷移至負極，電子在外電路從正極遷移至負極[30]�？梢钥吹剑鲜龀浞烹娺^程是由鋰離子在正負極間如同搖椅般往復(fù)遷移實現(xiàn)的，因此鋰離子電池又被稱為“搖椅電池”。以圖1-2中的電池為例（正極為LiCoO2，負極為石墨），其充放電反應(yīng)為：正極反應(yīng)：LiCoO2xLi++xe-+Li1-xCoO2（1-1）負極反應(yīng)：6C+xLi++xe-LixC6（1-2）電池反應(yīng)：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6（1-3）在鋰離子電池中，負極材料要求具有較低的鋰脫嵌電位。除了上述石墨負極外，可以作為負極材料的還有硅（Si）、二氧化鈦（TiO2）等[36,37]。對于正極材料，要求其具有比較高的電極電位，比如目前商用的鈷酸鋰（LiCoO2）的電極電位約為4.1V（vs.Li/Li+）。圖1-2鋰離子電池的工作原理示意圖[30]Figure1-2Schemeoflithiumionbattery[30]1.2.2鋰離子電池的特點及發(fā)展需求鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和固態(tài)鋰離子電池兩大類。液態(tài)鋰離子電池采用液態(tài)電解質(zhì)溶液，制造技術(shù)比較成熟，已經(jīng)得到大規(guī)模應(yīng)用。固態(tài)放電充電放電充電放電充電

第1章緒論-7-具有優(yōu)異的大倍率放電性能，穩(wěn)定的充放電平臺和優(yōu)異的循環(huán)性能。這些優(yōu)點使得LiCoO2成為一種非常成功的鋰離子電池正極材料，廣泛應(yīng)用于無人機、筆記本電腦、手機等消費電子領(lǐng)域[72]。不過，LiCoO2仍然面臨一些問題[73,74]：第一，鈷元素在地殼中的儲量較低，遠低于釩、錳、鎳、鐵等過渡金屬元素，造成原材料的價格昂貴。近年來電子產(chǎn)品和電動汽車產(chǎn)量的提高，供需關(guān)系引起鈷原材料價格的明顯上漲，導(dǎo)致使用鈷基正極材料的電池造價難以降低。第二，LiCoO2材料在過充電條件下會造成晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的Li+過多脫出，不可逆地生成CoO2，引起容量衰減。含有高價鈷離子的CoO2還會催化電解液的分解，進一步使電池性能惡化。此外，在過度脫鋰的情況下還會有單質(zhì)鈷析出，而單質(zhì)鈷可以溶解于電解液中，同樣會造成電池容量的不可逆衰減。多年來，科研工作者們致力于對LiCoO2材料進行改性，以便得到更好的電化學(xué)性能。例如，采用Al元素對于LiCoO2進行摻雜制備LiAlxCo1-xO2材料可以在放電過程中更好地維持層狀結(jié)構(gòu)[42]。不僅如此，Al3+的摻雜可以減少電解液的分解[75]。此外，對LiCoO2進行包覆處理，同樣是提高LiCoO2電化學(xué)性能的有效方法[76-79]。圖1-3LiCoO2的晶體結(jié)構(gòu)示意圖[68]Figure1-3CrystalstructureofLiCoO2[68]總之，LiCoO2正極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，其理論研究和實際應(yīng)用都有了巨大進展。但是，鈷資源的稀缺性使LiCoO2的生產(chǎn)成本難以降低。同時，考慮到鈷元素具有較高的毒性，科研工作者正在積極開發(fā)新型正極材料以便替代鈷基正極材料。1.3.2鎳酸鋰正極材料與LiCoO2相同，鎳酸鋰（LiNiO2）材料同樣具有α-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)。相比于LiCoO2，LiNiO2的原材料儲量更加豐富，價格更加低廉，同時具有環(huán)境友

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Recent progress in carbon/lithium metal composite anode for safe lithium metal batteries[J]. Tao Li,He Liu,Peng Shi,Qiang Zhang.  Rare Metals. 2018(06)
[2]拉曼光譜在石墨烯結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J]. 吳娟霞,徐華,張錦.  化學(xué)學(xué)報. 2014(03)
[3]大規(guī)模新能源電力安全高效利用基礎(chǔ)問題[J]. 劉吉臻.  中國電機工程學(xué)報. 2013(16)
[4]鋰電池發(fā)展簡史[J]. 黃彥瑜.  物理. 2007(08)
[5]鋰離子電池電極材料研究進展[J]. 周恒輝,慈云祥,劉昌炎.  化學(xué)進展. 1998(01)

博士論文
[1]納米Bi2O3/C復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)儲鋰性能研究[D]. 方偉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2017



本文編號：3516502