【摘要】：為了滿足人們對動力電池不斷增長的能量需求,尋求和發(fā)展高能量密度的鋰離子電池電極材料成為當前的研究重點。硅氧碳(SiOC)基負極材料不僅具備Si基材料的高容量特性,而且可以利用C基材料的包容性和延展性保持循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)完整,是一種具有潛力的負極材料。然而,SiOC負極材料往往伴隨著不可逆容量高、循環(huán)穩(wěn)定性差和倍率性能較差等缺點,極大地限制了其在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。本文發(fā)展了一種新的生物模板法結(jié)合超臨界流體技術(shù)來制備無定形SiOC微球,并引入MnO、Sn等納米粒子改進SiOC基負極材料的電化學(xué)性能。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)以小球藻為生物模板和碳源,結(jié)合超臨界流體技術(shù)制備了兩種具有特定形貌且均一尺寸的SiOC微球。無定形SiOC主要由無序碳網(wǎng)格和SiOC玻璃相單元組成,經(jīng)過水解步驟得到的SiOC樣品含有更多電化學(xué)活性位點(SiOC玻璃相單元),因而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學(xué)性能,在100 mA g~(-1)電流密度下循環(huán)300次后依然具有377 mAh g~(-1)的放電容量。所有樣品均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性,且都能在循環(huán)過程中保持結(jié)構(gòu)完整和形貌不變。(2)以小球藻為生物模板和碳源,在超臨界條件下水解正硅酸乙酯,通過生物吸附和一步煅燒引入MnO納米粒子,得到C/MnO/SiOC復(fù)合材料。材料表征顯示大量的尺寸約為10 nm的長條形MnO納米粒子包裹在SiOC微球表面,所有元素在樣品中均實現(xiàn)了均一的分布。作為鋰離子電池負極材料,MnO納米粒子的引入有效地提高了整個電極的可逆容量,C/MnO/SiOC樣品在100 mA g~(-1)循環(huán)200次后可逆容量依然保持在770 mAh g~(-1)。由于富碳SiOC基體的緩沖和C包覆層的固定,C/MnO/SiOC可以在循環(huán)過程中保持結(jié)構(gòu)完整,進而保證了材料的電化學(xué)穩(wěn)定性。(3)利用小球藻的重金屬離子吸附特性引入Sn~(4+)離子,結(jié)合生物模板法和超臨界流體技術(shù),通過一步煅燒制備Sn@SiOC復(fù)合材料。尺寸約為幾個納米的Sn納米粒子完全嵌入在無定形SiOC基體內(nèi)部,各元素在Sn@SiOC復(fù)合材料中均一地分布。電化學(xué)測試結(jié)果表明,Sn納米粒子的引入有效地提高了復(fù)合材料的倍率性能,Sn@SiOC復(fù)合材料在100、5000電流密度下的可逆容量分別為SiOC可逆容量的1.1和1.6倍。SiOC基體不僅可以緩沖Sn納米粒子在充放電過程中的體積變化,還能提供一個完全包裹的結(jié)構(gòu)防止Sn納米粒子發(fā)生團聚,因而Sn@SiOC復(fù)合材料能夠在反復(fù)的嵌鋰/脫鋰過程中保持結(jié)構(gòu)完整和形貌不變。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文出了“搖椅式電池”的概念，這種以兩種不同的、能夠可逆地嵌入鋰化合物分別作為正極和負極的二次電池體系就是鋰離子電池2為正極、石墨為負極的鋰離子電池（( ) LiC6"#LiPF6  EC + D(+)）工作原理如圖 1-1 所示，其基本電極反應(yīng)方程式如下：極： 2 1 2+ + 極：6C + x + 6應(yīng)： 2+ 6 1 2+ 6電過程中，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰態(tài)；同時，電子的補償電荷經(jīng)過外電路進入負極，維持負極電中，Li+從負極脫嵌進入正極，電子也經(jīng)過外電路進入正極，使鋰離子電池在正常的充放電過程中，Li+在正、負極材料的層間起層面間距的變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)，電極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基的電化學(xué)可逆性。

[5]。圖1-2 （a）扣式電池、（b）圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1-2. Schematic presentation of (a) coin-type, (b) cylindrical Li-ion battery.與其他的二次電池相比，鋰離子電池具有以下優(yōu)勢：（1）工作電壓高：鋰離子電池單體的工作電壓可高達 3.7-3.8 V，是 Ni-H、Ni- Cd 電池的 3 倍；（2）能量密度高：比容量能達到 150 mAh g 1以上，接近于理論值的 88%左右，約為 Ni-H、Ni- Cd 電池的 2-3 倍；（3）循環(huán)壽命長：正常情況下可達到千次以上，用于小電流放電的電器時使用期限更長；（4）自放電�。菏覝叵鲁錆M電的鋰離子電池靜置 1個月后的自放電率約為 2%，遠低于 Ni-H、Ni- Cd 電池；（5）快速充電：1C 倍率下充電 30 分鐘可達到標稱容量的 80%，可以在大倍率下充電；（6）無記憶效應(yīng)：Ni- Cd 電池往往會因為充、放電不完全導(dǎo)致電池容量降低、使用時間縮短

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