錐形核殼陣列結(jié)構(gòu)以及多孔結(jié)構(gòu)作為硅基鋰離子電池負(fù)極材料的研究
發(fā)布時間：2022-01-19 09:32
二十一世紀(jì)以來,科技的飛速發(fā)展給人們生活帶來了便利,同時對能源的需求也不斷提高,我們越來越迫切地尋求更清潔、更高效的能源來取代化石燃料。鋰離子電池具有高能量密度、高能量效率、輕便、環(huán)境友好等優(yōu)點,廣泛地應(yīng)用到便攜式設(shè)備、動力汽車和微電子器件中。鋰離子電池負(fù)極材料是鋰離子電池最主要組成部分之一,但商業(yè)化石墨類負(fù)極的理論容量只有372 mAh g-1,無法滿足動力汽車等所需的高能量密度電池的需求。當(dāng)前已有的負(fù)極材料中,硅以其最高的理論容量(可達(dá)4200mAh g-1)、環(huán)境友好、地殼含量豐富、成本低廉等優(yōu)勢吸引了巨大的關(guān)注。當(dāng)前已有大量的硅基鋰離子電池材料負(fù)極的研究。但硅基負(fù)極存在最大的問題是體積膨脹效應(yīng)和導(dǎo)電性差。在鋰的嵌入脫出過程中,會導(dǎo)致容量衰減和初始不可逆容量,甚至是材料與集流體脫離。而Si作為半導(dǎo)體材料,其導(dǎo)電性和鋰離子遷移率很低。為了解決硅基負(fù)極這兩個問題,本文的主要內(nèi)容包括:（1）通過簡單的電沉積實驗,在銅襯底上得到Ni的錐形陣列,并且通過射頻濺射的方法在納米陣列表面濺射非晶硅薄膜,最終得到Ni@Si核殼陣列結(jié)構(gòu)。陣列化核殼結(jié)構(gòu)的設(shè)...
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理圖[6]
第一章緒論11由于鋰和鈷的尺寸差異較大(rLi+:0.76A；rCo3+:0.545)[24,25]。當(dāng)鋰值x<0.5時，實際比容量會更高，但循環(huán)損耗也會增加[24]。這是由于在充放電過程中顆粒表面的變化，增加了電池阻抗和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。這些副反應(yīng)可以通過包覆LiCoO2粒子或進(jìn)行嚴(yán)格的熱處理來改善，但循環(huán)損失使整個鋰的脫插過程仍然是不可能的。LiCoO2的主要問題是成本高、熱穩(wěn)定性低、在高電流率或深度循環(huán)過程中容量衰減快。已有的一些方法來提高離子電導(dǎo)率和循環(huán)性能，如1）涂覆一層C，氧化物如Al2O3，ZnO[26]；2）摻雜鋁[27]、鉻[28]和銀[29]。另一種層狀材料是LiNiO2，它在鋰離子電池中有著廣泛的研究。LiNiO2最早由Dyer等人在1954年合成，在1990年代被Dahn等人[30]廣泛研究作為LiCoO2的替代品。LiNiO2雖然結(jié)構(gòu)接近理想，但并不是一種很有前途的商用鋰離子電池正極材料。摻雜(如Mg、Al、Co、Ga等)[31-33]已被研究用于制備LiNiO2。圖1.2LiCoO2的層狀過渡金屬鋰氧化物結(jié)構(gòu)(紅色:氧，藍(lán)色:鈷，綠色:鋰)[24]。Fig.1.2LayeredlithiumtransitionmetaloxidestructureofLiCoO2(red:oxygen,blue:cobalt,green:lithium).純LiMnO2(LMO)被認(rèn)為是LiCoO2和LiNiO2的替代品，因為它更便宜，更環(huán)保。LiMnO2是單斜結(jié)構(gòu)，但其經(jīng)過循環(huán)后轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝盍呅谓Y(jié)構(gòu)[34]。雖然LiMnO2具有285mAhg-1的高理論容量和熱穩(wěn)定性。然而，LiMnO2的初始實際容量只有150mAhg-1左右，
和四面體位置[42]。鋰的插層/脫插層是通過三維網(wǎng)絡(luò)而不是平面來實現(xiàn)的，如α-NaFeO2結(jié)構(gòu)。與上述其他正極材料相比，LiMn2O4成本更低、更安全、錳的自然豐度高，但理論容量較低，僅為148mAhg-1[43]。這種損失是由于電解液中錳的溶解，或顆粒大孝形狀或晶體的變化造成的。為了改善這一弱點，將鐵和鈷添加到LiMn2O4中，在高壓下，鐵的加入增加了放電平臺，而鈷穩(wěn)定了尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，從而提高了循環(huán)過程中的容量保持能力。在LiMn2O4表面鍍鎳還可以提高循環(huán)過程中的容量保持能力和安全性，而不是作為體積摻雜劑的。圖1.3LiMn2O4的尖晶石結(jié)構(gòu)(紅色:氧，紫色:錳，綠色:鋰)[42]。Fig.1.3SpinelstructureofLiMn2O4(red:oxygen,purple:manganese,green:lithium).
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鋰離子電池Sn基合金負(fù)極材料[J]. 褚道葆,李建,袁希梅,李自龍,魏旭,萬勇. 化學(xué)進(jìn)展. 2012(08)
[2]層狀嵌鋰多元過渡金屬氧化物的研究[J]. 黃友元,周恒輝,陳繼濤,蘇光耀,高德淑. 化學(xué)進(jìn)展. 2005(03)
本文編號：3596631
【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：77 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理圖[6]
第一章緒論11由于鋰和鈷的尺寸差異較大(rLi+:0.76A；rCo3+:0.545)[24,25]。當(dāng)鋰值x<0.5時，實際比容量會更高，但循環(huán)損耗也會增加[24]。這是由于在充放電過程中顆粒表面的變化，增加了電池阻抗和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性。這些副反應(yīng)可以通過包覆LiCoO2粒子或進(jìn)行嚴(yán)格的熱處理來改善，但循環(huán)損失使整個鋰的脫插過程仍然是不可能的。LiCoO2的主要問題是成本高、熱穩(wěn)定性低、在高電流率或深度循環(huán)過程中容量衰減快。已有的一些方法來提高離子電導(dǎo)率和循環(huán)性能，如1）涂覆一層C，氧化物如Al2O3，ZnO[26]；2）摻雜鋁[27]、鉻[28]和銀[29]。另一種層狀材料是LiNiO2，它在鋰離子電池中有著廣泛的研究。LiNiO2最早由Dyer等人在1954年合成，在1990年代被Dahn等人[30]廣泛研究作為LiCoO2的替代品。LiNiO2雖然結(jié)構(gòu)接近理想，但并不是一種很有前途的商用鋰離子電池正極材料。摻雜(如Mg、Al、Co、Ga等)[31-33]已被研究用于制備LiNiO2。圖1.2LiCoO2的層狀過渡金屬鋰氧化物結(jié)構(gòu)(紅色:氧，藍(lán)色:鈷，綠色:鋰)[24]。Fig.1.2LayeredlithiumtransitionmetaloxidestructureofLiCoO2(red:oxygen,blue:cobalt,green:lithium).純LiMnO2(LMO)被認(rèn)為是LiCoO2和LiNiO2的替代品，因為它更便宜，更環(huán)保。LiMnO2是單斜結(jié)構(gòu)，但其經(jīng)過循環(huán)后轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝盍呅谓Y(jié)構(gòu)[34]。雖然LiMnO2具有285mAhg-1的高理論容量和熱穩(wěn)定性。然而，LiMnO2的初始實際容量只有150mAhg-1左右，
和四面體位置[42]。鋰的插層/脫插層是通過三維網(wǎng)絡(luò)而不是平面來實現(xiàn)的，如α-NaFeO2結(jié)構(gòu)。與上述其他正極材料相比，LiMn2O4成本更低、更安全、錳的自然豐度高，但理論容量較低，僅為148mAhg-1[43]。這種損失是由于電解液中錳的溶解，或顆粒大孝形狀或晶體的變化造成的。為了改善這一弱點，將鐵和鈷添加到LiMn2O4中，在高壓下，鐵的加入增加了放電平臺，而鈷穩(wěn)定了尖晶石晶體結(jié)構(gòu)，從而提高了循環(huán)過程中的容量保持能力。在LiMn2O4表面鍍鎳還可以提高循環(huán)過程中的容量保持能力和安全性，而不是作為體積摻雜劑的。圖1.3LiMn2O4的尖晶石結(jié)構(gòu)(紅色:氧，紫色:錳，綠色:鋰)[42]。Fig.1.3SpinelstructureofLiMn2O4(red:oxygen,purple:manganese,green:lithium).
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鋰離子電池Sn基合金負(fù)極材料[J]. 褚道葆,李建,袁希梅,李自龍,魏旭,萬勇. 化學(xué)進(jìn)展. 2012(08)
[2]層狀嵌鋰多元過渡金屬氧化物的研究[J]. 黃友元,周恒輝,陳繼濤,蘇光耀,高德淑. 化學(xué)進(jìn)展. 2005(03)
本文編號：3596631
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