由于傳統(tǒng)能源帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,因此對(duì)清潔能源的需求不斷增加。鋰離子電池因其綠色環(huán)保引起了人們廣泛的關(guān)注。鋰離子電池的負(fù)極材料直接關(guān)系到它電化學(xué)性能的優(yōu)劣。然而,傳統(tǒng)的商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料存在理論比容量低、充放電倍率小等缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。作為鋰離子電池負(fù)極材料,過渡金屬氧化物因其高比容量、環(huán)境友好、低成本和安全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。但充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹和循環(huán)性能差等問題嚴(yán)重限制了它的推廣應(yīng)用。因此,構(gòu)筑高性能的過渡金屬氧化物負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池的應(yīng)用具有重要意義。本論文主要對(duì)不同形貌的ZnMn_2O_4和ZnMn_2O_4/rGO的可控制備和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的研究,并且探究了其電化學(xué)性能和儲(chǔ)鋰機(jī)制。(1)通過調(diào)節(jié)溶劑組成,利用溶劑熱法,制備出不同形貌的ZnMn_2O_4亞微米材料,探究其結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)性能的影響。相同測(cè)試條件下,由納米顆粒組成的ZnMn_2O_4空心球具有最優(yōu)的循環(huán)性能和倍率性能。其優(yōu)異的性能歸因于空心多孔結(jié)構(gòu),一方面,它的多孔結(jié)構(gòu)和高的比表面積可增加活性物質(zhì)與電解液之間的接觸,能在重復(fù)的鋰離子脫/嵌過程中緩沖體積變化,從而提高循環(huán)穩(wěn)定性;另一方面,它可為鋰離子和電子擴(kuò)散提供短路徑,從而獲得優(yōu)異的倍率性能。(2)通過溶劑熱法和后續(xù)的熱處理,在十六烷基三甲基溴化銨過量條件下成功合成了ZnMn_2O_4納米花生,并將其用作鋰離子電池負(fù)極材料。它具有三個(gè)特點(diǎn):特殊的介孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積和互相連接的壁。一方面,這種相互連接的結(jié)構(gòu)能夠提供高的比表面積,使鋰離子與電解質(zhì)完全接觸,并利于鋰離子擴(kuò)散和電子轉(zhuǎn)移,從而降低電阻;另一方面,介孔分層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效地緩沖體積變化,適應(yīng)或減小充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化,從而提高電極的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。受益于這種特殊的介孔結(jié)構(gòu),互連的介孔ZnMn_2O_4納米花生展示出更穩(wěn)定的充放電性能。(3)利用自組裝法在氧化石墨烯(GO)表面定向附著ZnMn_2O_4納米顆粒,制備出三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZnMn_2O_4/還原氧化石墨烯(rGO)復(fù)合物。測(cè)試其鋰離子電池性能時(shí),在較高電流密度條件下,ZnMn_2O_4/rGO仍表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。ZnMn_2O_4/rGO優(yōu)異的性能主要?dú)w因于ZnMn_2O_4和rGO的協(xié)同作用。rGO可使ZnMn_2O_4納米顆粒附著到其表面,ZnMn_2O_4納米顆粒同時(shí)能有效避免相鄰rGO堆疊,這樣為復(fù)合材料體積膨脹提供充足的緩沖空間。此外,rGO具有良好的導(dǎo)電性,與ZnMn_2O_4復(fù)合后可加速電子和離子在電極中的擴(kuò)散,從而降低電池的總電阻。
【學(xué)位單位】：青島大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TM912
【部分圖文】：

圖 1.1 圓柱型鋰離子電池示意圖[7]。電池的實(shí)質(zhì)為鋰離子濃差電池。在可逆的充放電過程中，電 Li+的嵌入、脫出，所以又被叫做“搖椅電池”[8-10]。圖 1.2圖[7]。充電時(shí)，Li+從正極的晶格中脫出，經(jīng)電解液，嵌入負(fù)極為貧鋰態(tài)，負(fù)極為富鋰態(tài)。放電時(shí)，與充電相反，Li+從負(fù)極液，重回到正極的晶格中。電子在電池內(nèi)的穿梭實(shí)現(xiàn)了充放oO2做正極，石墨做負(fù)極，1 mol/L 的 LiPF6/EC + DMC (1:1)做在充放電過程中正負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)及電池反應(yīng)如下[8]：電化學(xué)表達(dá)式為：（－）C | 1mol/L LiPF6/EC + DMC (1:1) | LiCoO2（＋）應(yīng)： LiCoO LiCoO xLi xe21x2

圖 1.2 鋰離子電池工作原理圖[7]。全電池體系中，Li+從正極中脫出，嵌入到負(fù)極。正極材料的鋰儲(chǔ)量充料在單位質(zhì)量?jī)?nèi)容納 Li+的量直接決定電池的能量密度和比容量。負(fù)極嵌的主體，也是決定電池性能優(yōu)劣的主要材料。因此，開展鋰離子電池究對(duì)其電化學(xué)性能的提升具有重要的意義。離子電池負(fù)極材料研究現(xiàn)狀極材料關(guān)系到鋰離子電池電化學(xué)性能的優(yōu)劣，它影響著鋰離子電池的環(huán)穩(wěn)定性、可逆容量的保持等方面[11]。因此，理想的負(fù)極材料應(yīng)滿足[12-15]：1）大量 Li+能快速且可逆地進(jìn)行脫/嵌，以得到高的容量密度；2）Li+脫/嵌的可逆性好，在充放電過程中，材料的主體結(jié)構(gòu)無體積變，提高循環(huán)性能；

已成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，碳材料可分為兩種：石墨碳、無定形碳。圖1.3 為石墨與無定形碳結(jié)構(gòu)示意圖[16]。目前，商品化的負(fù)極材料主要為石墨化碳。圖 1.3 石墨與無定形碳的結(jié)構(gòu)示意圖[16]。石墨碳的理論比容量為 372 mAh/g，是一種三維有序的層狀結(jié)構(gòu)，層狀結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i+在石墨碳層的 Li+脫/嵌提供便利性[17]，并且在此過程中層間距變化較小，所以它的循環(huán)穩(wěn)定性較好。石墨碳的結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，Li+能夠嵌入到石墨的層狀結(jié)構(gòu)中形成 LixC6類物質(zhì)，且具有較低的充放電平臺(tái)[18]。雖然石墨材料目前在商業(yè)化產(chǎn)品中占主導(dǎo)地位，但也存在著許多不足，如比容量低，對(duì)電解液敏感，溶劑相容性較差，Li+嵌入石墨層后晶面間距由 0.34 nm 增至 0.37 nm，首次放電過程中，會(huì)發(fā)生石墨層剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致電池循環(huán)壽命降低[19-21]。無定形碳是由二維有序的石墨片無秩序堆疊成的“亂層”結(jié)構(gòu)，它又可進(jìn)一步分為“硬碳”和“軟碳”�！坝蔡肌笔墙Y(jié)構(gòu)特殊的交聯(lián)樹脂在 1000 °C 下分解得到的
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本文編號(hào)：2862497