理想的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該具有低成本、長(zhǎng)壽命、高容量、高功率密度、優(yōu)異的電化學(xué)可逆性和低污染等特性,其在可持續(xù)能源發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在眾多特性中,高功率關(guān)系到電能的釋放速度,對(duì)于儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行至關(guān)重要。降低電池材料中微觀(guān)組分排布方式的曲折度可以令離子更容易地遷移并進(jìn)入電極,更高效的離子擴(kuò)散和離子傳導(dǎo)能夠提高電化學(xué)設(shè)備的倍率性能,這是科學(xué)界近年針對(duì)改善電化學(xué)儲(chǔ)能器件整體性能而提出的新興研究方向。本文基于電池動(dòng)力學(xué)和曲折度對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能器件性能影響的理論基礎(chǔ),以改善Li⁺在電極材料與電解質(zhì)材料內(nèi)部的傳輸為途徑,以提升鋰電池系統(tǒng)電化學(xué)性能為目標(biāo),以鋰離子電池正極材料、固態(tài)電解質(zhì)材料和鋰硫電池正極材料為研究對(duì)象,進(jìn)行高定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。針對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)制備高定向、高能量密度LiCoO₂正極和高定向結(jié)構(gòu)LAGP/PEO復(fù)合固態(tài)電解質(zhì),并將高定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想擴(kuò)展到鋰硫電池系統(tǒng)的硫碳復(fù)合正極,制備高定向石墨烯正極載體。對(duì)以上三種典型的鋰電池材料進(jìn)行綜合表征,研究高定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電池電化學(xué)性能的提升機(jī)制,推進(jìn)有關(guān)電化學(xué)儲(chǔ)能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能提升的研究,為高倍率... 

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

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

電化學(xué)器件中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程

第1章緒論-5-=×ετ（1-6）曲折度是經(jīng)過(guò)孔隙率修正后的與的比值。當(dāng)傳導(dǎo)路徑由具備均勻橫截面的，豎直的，并且平行于傳輸方向的通道組成時(shí)，方程（1-6）中的曲折度=1，如圖1-2（a）所示。對(duì)于曲折度>1的離子傳導(dǎo)路徑來(lái)說(shuō)，如圖1-2（b）和圖1-2（c）所示，傳導(dǎo)相的有效傳輸性能會(huì)低于其理論傳輸性能，而三維結(jié)構(gòu)上分層的傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)會(huì)使材料結(jié)構(gòu)與曲折度間的關(guān)系更復(fù)雜[10]。在多孔電極材料中，材料顆粒的本征性質(zhì)和粒徑分布都會(huì)對(duì)曲折度的值產(chǎn)生影響，在此引用布萊德曼關(guān)系式（Bruggemanrelationship）作為表征和預(yù)測(cè)曲折度的簡(jiǎn)單模型：=（1-7）式中——布萊德曼指數(shù)（Bruggemanexponent）。圖1-2不同結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)及其材料內(nèi)部的曲折度（a）球形顆粒豎直排列（b）球形顆粒隨機(jī)分布（c）各向異性顆粒隨機(jī)分布（d）基于Bruggeman模型的曲折度與孔隙率關(guān)系圖（e）不同復(fù)合材料電極的曲折度[11]Figure1-2Differentconfigurationsofporousmediaandtortuosityinside(a)–(c)Threecases:(a)verticallyalignedparticles(τ=1),(b)randomlydistributedparticles(τ=ε-0.5),and(c)randomlyanisotropicparticles(τ>ε-0.5)(d)TherelationbetweentortuosityandporositybasedontheBruggemanmodel(α=0.5)(e)Measuredtortuosityofcompositeelectrodes[11]

第1章緒論-7-電層電容和表面氧化還原反應(yīng)，我們稱(chēng)前者為雙電層電容器，后者為贗電容[19]。在電極活性材料及固態(tài)電解質(zhì)中構(gòu)建沿離子傳導(dǎo)方向的高定向結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備的功率密度和能量密度的有效手段。但是電極材料具有塌陷和形成熱力學(xué)更穩(wěn)定的隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)或扁平結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，使得高定向結(jié)構(gòu)在搭建過(guò)程中具備很大難度。在過(guò)去的十年中，研究者們已經(jīng)探索了各種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低曲折度高定向結(jié)構(gòu)，包括但不限于直接生長(zhǎng)，磁化定向，模板法，相轉(zhuǎn)化和微電子工藝等方法。在以下部分中，本文將討論這些方法及其制備過(guò)程、取得的成就、優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。1.3.1直接生長(zhǎng)法與具有高曲折度的傳統(tǒng)電極相比，納米線(xiàn)、納米纖維和納米管由于其本身自有的一維結(jié)構(gòu)而引起了研究者們對(duì)低曲折度電極材料的廣泛關(guān)注。只要它們沿粒子傳輸?shù)姆较蚋叨ㄏ蚺帕�，就可以直接形成距離最短的離子或電子傳輸通道。此外，一維材料的高比表面積還可以加速電化學(xué)反應(yīng)中的其他動(dòng)力學(xué)過(guò)程[20]，且其低維度的特性令電化學(xué)器件在體積膨脹和收縮期間的應(yīng)變大大減小[21,22]。這些非凡的優(yōu)勢(shì)使得基于高定向結(jié)構(gòu)的納米線(xiàn)或納米管的電極在各種電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備中極具吸引力，包括鋰離子電池，鋰硫電池，超級(jí)電容器和其他用于儲(chǔ)能的化學(xué)元器件[23,24]。圖1-3CVD直接生長(zhǎng)法制備高定向碳納米管雙電層電容器電極[25]Figure1-3HighorientedCNTSelectrodeofdoublelayercapacitorpreparedbyCVDdirectgrowthmethod[25]可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝直接制備高度豎直取向的碳納米管，因?yàn)樘技{米管可以提高雙電層電容器的功率密度，其高導(dǎo)電的石墨烯片管壁使其本身具備了優(yōu)異的導(dǎo)電性，碳納米管易于接收離子，同時(shí)具有較大的比表面

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博士論文
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本文編號(hào)：2916826