復合過渡金屬基功能材料的設(shè)計制備及儲鋰性能研究
發(fā)布時間：2021-10-06 21:59
由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長和對環(huán)境無污染等優(yōu)點,鋰離子電池逐漸被認為是最具有發(fā)展前景的能量存儲轉(zhuǎn)換技術(shù)之一。石墨因其有著良好的穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池負極中,但是理論比容量(372 mAh·g-1)較低,已無法滿足一些高能量密度領(lǐng)域的需求。因此,研發(fā)一種具有高比容量、環(huán)境友好且低成本的鋰離子電池負極材料變得十分重要。其中,過渡金屬氧化物因其高可逆容量和來源豐富等優(yōu)勢引起了研究人員的廣泛關(guān)注。然而,過渡金屬氧化物存在著導電性差、循環(huán)穩(wěn)定性差和首次不可逆容量損失高等缺陷。因此,我們需要通過形貌調(diào)控、引入碳材料和構(gòu)筑復合材料等方法來改善上述缺陷。金屬有機骨架化合物（MOFs）具有高的比表面積和多孔徑分布等特點,被認為是碳材料和金屬氧化物及其復合材料的理想模板。基于此,本文引入MOFs為模板,以其熱處理后得到的碳骨架和金屬氧化物,構(gòu)筑了三種過渡金屬基復合材料,然后對其結(jié)構(gòu)和電化學性能進行了探究。1.設(shè)計并制備了一種新型的Co3V2O8@HCB復合材料,作為鋰離子電池的混合陽極材料。利用液相法制備得到...
【文章來源】：濟南大學山東省
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理
濟南大學碩士學位論文5圖1.2掃描電鏡圖：(a)Li4Ti5O12,(b)g-C3N4,(c)Li4Ti5O12/g-C3N41.3.3合金型負極材料相比于嵌鋰型負極材料，合金型負極材料M（M=Si、Sn、Ge等）可以通過與多個Li+發(fā)生反應(yīng)形成LixM，具有較高的理論容量的優(yōu)勢，但也存在著充放電過程中體積膨脹大、材料易粉化，導致容量衰減快、循環(huán)穩(wěn)定性差以及倍率性能差等缺點[36-38]。通過材料納米化以及與其它儲鋰材料進行二元或者多元復合，緩解體積膨脹效應(yīng)來解決這些問題。本文主要介紹硅基和錫基負極材料。1.3.3.1硅基負極材料硅基負極材料（Silicon）是鋰離子電池負極材料領(lǐng)域中具有最高的質(zhì)量比容量（4200mAh·g-1，Li22Si5）和體積比容量（9786mAh·cm-3）的負極材料[39,40]。硅元素是地殼中含量第二高的元素，價低低廉，無污染，因此，Si元素及其衍生材料被認為是高能量鋰離子電池極具潛力的電極材料，硅基材料也已經(jīng)被工廠大量開始使用。不幸的是，硅基材料存在著幾個缺點：(a)電解液分解產(chǎn)生的HF會對硅負極產(chǎn)生腐蝕作用；(b)硅負極在大倍率電流速率下的放電比容量較低；(c)在充放電過程中的超高體積膨脹引起的材料粉化和容量快速衰減，嚴重阻礙其廣泛應(yīng)用[41,42]。研究工作者通過碳包覆、納米化和合金化等改性方式來改善這些問題[43-45]。例如，JuLien等[46]通過一步激光熱解反應(yīng)首次合成了碳覆蓋的硅納米離子（Si@C），如圖1.3b所示，Si@C納米顆粒的碳涂層包含了整個硅團聚體，碳涂層的存在避免了Si與電解質(zhì)間的接觸，大大提升了Si的可逆容量。電化學測試結(jié)果表明，Si@C在經(jīng)過幾次循環(huán)后，具有出色的穩(wěn)定性，在電流速率為C/10時顯示出了2400mAh·g-1的高且穩(wěn)定的放電容量；在2C的高充放電速率下，可以循環(huán)500次，容量高達500mAh·g-1。
復合過渡金屬基功能材料的設(shè)計制備及儲鋰性能研究6圖1.3(a)硅和(b)硅@碳復合納米粒子的透射電鏡圖像；(c)硅和(d)硅@碳復合納米粒子的高倍透射電鏡圖像還有，Wang等人[47]合成出了微米級多孔Si/SiO2/C復合材料，如圖1.4所示，Si在整個球形珊瑚狀多孔結(jié)構(gòu)中均勻分布，具有保持結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定的作用。SiO2和C的雙層結(jié)構(gòu)對于保持電極完整性也有較大的作用，在0.1A·g-1的電流密度下循環(huán)100圈后仍有929.2mAh·g-1的放電容量；在經(jīng)過3A·g-1的大電流密度下充放電后仍能保持381.9mAh·g-1的放電容量，顯示出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的高速率循環(huán)后的容量恢復能力。圖1.4多孔Si/SiO2/C復合材料的制備過程
【參考文獻】：
期刊論文
[1]傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源發(fā)展的必然趨勢[J]. 鄧歡. 法制與社會. 2019(10)
[2]納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料（英文）[J]. 張晶晶,余愛水. Science Bulletin. 2015(09)
[3]新能源材料的研究進展探究[J]. 付浪. 科技風. 2012(12)
[4]鋰離子電池碳負極材料研究進展[J]. 孫學亮,秦秀娟,卜立敏,吳偉. 有色金屬. 2011(02)
本文編號：3420819
【文章來源】：濟南大學山東省
【文章頁數(shù)】：88 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池工作原理
濟南大學碩士學位論文5圖1.2掃描電鏡圖：(a)Li4Ti5O12,(b)g-C3N4,(c)Li4Ti5O12/g-C3N41.3.3合金型負極材料相比于嵌鋰型負極材料，合金型負極材料M（M=Si、Sn、Ge等）可以通過與多個Li+發(fā)生反應(yīng)形成LixM，具有較高的理論容量的優(yōu)勢，但也存在著充放電過程中體積膨脹大、材料易粉化，導致容量衰減快、循環(huán)穩(wěn)定性差以及倍率性能差等缺點[36-38]。通過材料納米化以及與其它儲鋰材料進行二元或者多元復合，緩解體積膨脹效應(yīng)來解決這些問題。本文主要介紹硅基和錫基負極材料。1.3.3.1硅基負極材料硅基負極材料（Silicon）是鋰離子電池負極材料領(lǐng)域中具有最高的質(zhì)量比容量（4200mAh·g-1，Li22Si5）和體積比容量（9786mAh·cm-3）的負極材料[39,40]。硅元素是地殼中含量第二高的元素，價低低廉，無污染，因此，Si元素及其衍生材料被認為是高能量鋰離子電池極具潛力的電極材料，硅基材料也已經(jīng)被工廠大量開始使用。不幸的是，硅基材料存在著幾個缺點：(a)電解液分解產(chǎn)生的HF會對硅負極產(chǎn)生腐蝕作用；(b)硅負極在大倍率電流速率下的放電比容量較低；(c)在充放電過程中的超高體積膨脹引起的材料粉化和容量快速衰減，嚴重阻礙其廣泛應(yīng)用[41,42]。研究工作者通過碳包覆、納米化和合金化等改性方式來改善這些問題[43-45]。例如，JuLien等[46]通過一步激光熱解反應(yīng)首次合成了碳覆蓋的硅納米離子（Si@C），如圖1.3b所示，Si@C納米顆粒的碳涂層包含了整個硅團聚體，碳涂層的存在避免了Si與電解質(zhì)間的接觸，大大提升了Si的可逆容量。電化學測試結(jié)果表明，Si@C在經(jīng)過幾次循環(huán)后，具有出色的穩(wěn)定性，在電流速率為C/10時顯示出了2400mAh·g-1的高且穩(wěn)定的放電容量；在2C的高充放電速率下，可以循環(huán)500次，容量高達500mAh·g-1。
復合過渡金屬基功能材料的設(shè)計制備及儲鋰性能研究6圖1.3(a)硅和(b)硅@碳復合納米粒子的透射電鏡圖像；(c)硅和(d)硅@碳復合納米粒子的高倍透射電鏡圖像還有，Wang等人[47]合成出了微米級多孔Si/SiO2/C復合材料，如圖1.4所示，Si在整個球形珊瑚狀多孔結(jié)構(gòu)中均勻分布，具有保持結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定的作用。SiO2和C的雙層結(jié)構(gòu)對于保持電極完整性也有較大的作用，在0.1A·g-1的電流密度下循環(huán)100圈后仍有929.2mAh·g-1的放電容量；在經(jīng)過3A·g-1的大電流密度下充放電后仍能保持381.9mAh·g-1的放電容量，顯示出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的高速率循環(huán)后的容量恢復能力。圖1.4多孔Si/SiO2/C復合材料的制備過程
【參考文獻】：
期刊論文
[1]傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源發(fā)展的必然趨勢[J]. 鄧歡. 法制與社會. 2019(10)
[2]納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負極材料（英文）[J]. 張晶晶,余愛水. Science Bulletin. 2015(09)
[3]新能源材料的研究進展探究[J]. 付浪. 科技風. 2012(12)
[4]鋰離子電池碳負極材料研究進展[J]. 孫學亮,秦秀娟,卜立敏,吳偉. 有色金屬. 2011(02)
本文編號：3420819
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