商業(yè)化石墨負(fù)極材料理論容量低、倍率性能差,在一定程度上阻礙了鋰離子電池的進(jìn)一步應(yīng)用。過(guò)渡金屬化合物具有能量密度高、環(huán)境友好、成本低的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是下一代鋰離子電池理想的負(fù)極材料。然而,過(guò)渡金屬化合物在充放電過(guò)程中體積變化大且導(dǎo)電性差的缺陷限制了其商業(yè)化開(kāi)發(fā)應(yīng)用。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和構(gòu)筑具有特殊結(jié)構(gòu)和形貌的復(fù)合材料可以有效地改善其電化學(xué)性能。本論文中,設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了Mn₃O₄/CNFs復(fù)合材料、CNFs@MnO₂復(fù)合材料、Co_xMn_（3-x）O₄/CNFs復(fù)合材料以及Cu/CuO自支撐電極,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。具體內(nèi)容如下:1.采用電紡技術(shù)和原位生長(zhǎng)法以及后續(xù)多步熱處理相結(jié)合的方法制備了多孔Mn₃O₄/CNFs復(fù)合材料。將其作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),Mn₃O₄/CNFs-2電極在0.1A g-1的電流密度下循環(huán)400圈后的可逆容量為754 m Ah g

【文章來(lái)源】：長(zhǎng)春理工大學(xué)吉林省

【文章頁(yè)數(shù)】：73 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

電池組成(a)柱狀電池，(b)方形電池，(c)扣式電池，(d)軟包電池[20]

第1章緒論3Batteries,縮寫(xiě)成RCB）[21]。其工作原理如圖1.2所示。圖1.2鋰離子電池工作原理示意圖[22]Fig.1.2Schematicillustrationoflithium-ionbatteryreactionmechanism[22]1.2.2鋰離子電池負(fù)極材料負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成構(gòu)件。充電時(shí)，Li+被擒獲并存儲(chǔ)起來(lái)，即將外部的功以能量的形式存儲(chǔ)在電池中。放電時(shí)，Li+脫出并向正極遷移，即電池釋放能量對(duì)外做功的過(guò)程。LIBs的儲(chǔ)鋰能力由負(fù)極材料與Li+反應(yīng)的可逆能力決定。高性能LIBs負(fù)極材料需具有優(yōu)異的可逆儲(chǔ)鋰性能，以及較低的還原氧化電位。同時(shí)考慮到其廣泛應(yīng)用，負(fù)極材料還應(yīng)該具有豐富的儲(chǔ)量、較低的成本以及環(huán)境友好等特點(diǎn)。依據(jù)儲(chǔ)鋰機(jī)理和電化學(xué)性能可以將負(fù)極材料分為三類(lèi)，分別是：1.嵌入型負(fù)極材料。例如碳材料[23]、二氧化鈦（TiO2）和鈦酸鋰（Li4Ti5O12）[24]等；2.合金型負(fù)極材料。例如硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鋁（Al）、鉍（Bi）、二氧化錫（SnO2）等[25]；3.轉(zhuǎn)換型負(fù)極材料。例如過(guò)渡金屬化合物（MXy，其中M為金屬元素，X為O、N、S和P等元素）[26]。圖1.3表明了這三種負(fù)極材料的反應(yīng)機(jī)制。嵌入型負(fù)極材料是指Li+在電極材料中可逆的嵌入和脫出，且結(jié)構(gòu)不發(fā)生顯著的變化的一類(lèi)負(fù)極材料，其具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。石墨負(fù)極是目前應(yīng)用最廣且商業(yè)化程度最大的負(fù)極材料。合金型負(fù)極材料與Li+發(fā)生可逆的合金化反應(yīng)形成鋰合金。儲(chǔ)鋰電位較低以及理論比容量高等優(yōu)勢(shì)使合金型負(fù)極材料得到廣泛關(guān)注[28]。轉(zhuǎn)換型負(fù)極材料與Li+反應(yīng)生成金屬單質(zhì)和氧化鋰，反應(yīng)方程式如下：MOx+2xLi++2xe-M+xLi2O。由于其儲(chǔ)量豐富、成本低、環(huán)境友好以及具有較高的理論比容量等優(yōu)勢(shì)在LIBs負(fù)極材料方面具有無(wú)限的應(yīng)用潛力。

第1章緒論4圖1.3鋰離子電池三種負(fù)極材料反應(yīng)機(jī)制示意圖[27]Fig.1.3SchematicillustrationofthereactionmechanismsofthreetypicalanodematerialsforLIBs[27]1.3過(guò)渡金屬化合物負(fù)極材料研究進(jìn)展過(guò)渡金屬化合物具有儲(chǔ)量豐富、成本低、環(huán)境友好以及具有較高的理論比容量等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是下一代LIBs負(fù)極材料最有力的競(jìng)選者[29,30]。但其在充放電循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出較差的循環(huán)穩(wěn)定性以及大電流充放電性能，這是因?yàn)橐幌聨讉�(gè)因素：1.導(dǎo)電性較差。不利于電子的傳輸以及電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，導(dǎo)致大電流充放電性能差；2.體積變化大。在Li+嵌入脫出過(guò)程中體積膨脹嚴(yán)重，造成較大的體積應(yīng)力，致使活性材料粉化并從集流體上脫離，電極破壞，導(dǎo)致容量迅速衰減；3.顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重�；钚晕镔|(zhì)粉化產(chǎn)生納米尺寸的金屬顆粒，繼續(xù)進(jìn)行反復(fù)的充放電測(cè)試，納米尺寸的粒子發(fā)生團(tuán)聚，致使活性物質(zhì)變少，活性位點(diǎn)減少，容量衰減。為解決過(guò)渡金屬化合物循環(huán)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，越來(lái)越多研究團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)集中在調(diào)整尺寸、結(jié)構(gòu)以及組成等方面。具體解決措施為：縮小顆粒尺寸，設(shè)計(jì)并構(gòu)筑具有微納米結(jié)構(gòu)的金屬化合物與碳的復(fù)合材料[31-33]�？s小顆粒尺寸可以提供充足的活性位點(diǎn)，增大電極與電解液的有效接觸面積，進(jìn)而縮短Li+的擴(kuò)散路徑，加快反應(yīng)速率，提高電化學(xué)反應(yīng)性能。同時(shí)具有特殊微納米結(jié)構(gòu)的材料能夠誘發(fā)新的儲(chǔ)鋰機(jī)制。與碳材料復(fù)合可以增強(qiáng)電極的電子傳輸能力，提高電子傳輸速率，進(jìn)而增強(qiáng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，提高電極的大電流充放電性能。另外，在金屬基質(zhì)上負(fù)載過(guò)渡金屬化合物材料作為自支撐電極可以有效的提高過(guò)渡金屬化合物的電化學(xué)性能。過(guò)渡金屬化合物材料與金屬基底緊密接觸，可以構(gòu)成電子傳輸路徑，減小接觸電阻，有利于加快電化學(xué)反


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