理想的電化學(xué)儲能系統(tǒng)應(yīng)該具有低成本、長壽命、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,對于儲能設(shè)備的運行至關(guān)重要。降低電池材料中微觀組分排布方式的曲折度可以令離子更容易地遷移并進入電極,更高效的離子擴散和離子傳導(dǎo)能夠提高電化學(xué)設(shè)備的倍率性能,這是科學(xué)界近年針對改善電化學(xué)儲能器件整體性能而提出的新興研究方向。本文基于電池動力學(xué)和曲折度對電化學(xué)儲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象,進行高定向結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對鋰離子電池系統(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)計思想擴展到鋰硫電池系統(tǒng)的硫碳復(fù)合正極,制備高定向石墨烯正極載體。對以上三種典型的鋰電池材料進行綜合表征,研究高定向結(jié)構(gòu)設(shè)計對電池電化學(xué)性能的提升機制,推進有關(guān)電化學(xué)儲能材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能提升的研究,為高倍率... 

【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)】：161 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

電化學(xué)器件中的動力學(xué)過程

第1章緒論-5-=×ετ（1-6）曲折度是經(jīng)過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，方程（1-6）中的曲折度=1，如圖1-2（a）所示。對于曲折度>1的離子傳導(dǎo)路徑來說，如圖1-2（b）和圖1-2（c）所示，傳導(dǎo)相的有效傳輸性能會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)和粒徑分布都會對曲折度的值產(chǎn)生影響，在此引用布萊德曼關(guān)系式（Bruggemanrelationship）作為表征和預(yù)測曲折度的簡單模型：=（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）球形顆粒隨機分布（c）各向異性顆粒隨機分布（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)是增強電化學(xué)儲能設(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)定的隨機分布結(jié)構(gòu)或扁平結(jié)構(gòu)的趨勢，使得高定向結(jié)構(gòu)在搭建過程中具備很大難度。在過去的十年中，研究者們已經(jīng)探索了各種方法來實現(xiàn)低曲折度高定向結(jié)構(gòu)，包括但不限于直接生長，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程、取得的成就、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。1.3.1直接生長法與具有高曲折度的傳統(tǒng)電極相比，納米線、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)中的其他動力學(xué)過程[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)勢使得基于高定向結(jié)構(gòu)的納米線或納米管的電極在各種電化學(xué)儲能設(shè)備中極具吸引力，包括鋰離子電池，鋰硫電池，超級電容器和其他用于儲能的化學(xué)元器件[23,24]。圖1-3CVD直接生長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，因為碳納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，同時具有較大的比表面

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：2916826