隨著電動汽車市場的快速發(fā)展,開發(fā)高比能、高倍率和長使用壽命的新一代動力鋰離子電池成為行業(yè)研究的熱點。傳統(tǒng)石墨負極材料因理論比容量較低(372 mAh g-1)而能量密度提升空間受限。相比之下,過渡金屬氧化物(TMOs)具有更高的理論比容量(～1000 mAh g-1),且其具有環(huán)境友好、成本較低等優(yōu)勢。本論文從TMOs納米結(jié)構(gòu)設(shè)計、構(gòu)建石墨烯復(fù)合材料體系和引入多級孔結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),提升電極材料的導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和鋰離子傳輸效率,從而顯著提高其可逆比容量、倍率性能和循環(huán)壽命等電化學(xué)性能。此外,高質(zhì)量石墨烯的大規(guī)模制備工藝是限制其作為鋰電負極材料的主要瓶頸。本文以非氧化插層工藝開展高質(zhì)量石墨烯的宏量制備探索。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)以氧化石墨烯、金屬鹽前驅(qū)體和氨水為原料采用水熱方法一步合成TMOs納米顆粒/氮摻雜石墨烯(NG)復(fù)合材料。納米化的TMOs提供了豐富的嵌脫鋰活性位點,石墨烯的錨定作用緩解了循環(huán)過程中納米顆粒的體積變化。而且,氮摻雜處理有效克服了還原氧化石墨烯導(dǎo)電性恢復(fù)不足的問題。電極材料封裝于CR2025型紐扣半電池中經(jīng)歷150圈連續(xù)循環(huán)后,Mn3O4/NG和Fe2O3...

【文章頁數(shù)】：159 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 鋰離子電池基本知識
        1.1.1 鋰離子電池發(fā)展簡介
        1.1.2 鋰離子電池基本原理
        1.1.3 鋰離子電池結(jié)構(gòu)概述
    1.2 負極材料發(fā)展概述
        1.2.1 碳材料負極
        1.2.2 Li₄Ti₅O₁₂負極
        1.2.3 硅基負極
        1.2.4 過渡金屬氧化物負極
    1.3 石墨烯/過渡金屬氧化物復(fù)合負極材料研究進展
        1.3.1 石墨烯制備方法
            1.3.1.1 還原氧化石墨烯法
            1.3.1.2 液相剝離法
        1.3.2 石墨烯及其衍生物負極材料
            1.3.2.1 石墨烯材料
            1.3.2.2 氮摻雜石墨烯
            1.3.2.3 石墨烯三維宏觀體
        1.3.3 石墨烯/過渡金屬氧化物復(fù)合負極材料
            1.3.3.1 提高容量性能
            1.3.3.2 增強倍率性能
            1.3.3.3 提升循環(huán)性能
    1.4 本論文的研究思路和研究內(nèi)容
第2章 過渡金屬氧化物納米顆粒/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能
    2.1 實驗儀器及方法
        2.1.1 實驗原料
        2.1.2 主要儀器和檢測設(shè)備
        2.1.3 材料合成方法
            2.1.3.1 氧化石墨烯(GO)的制備
            2.1.3.2 過渡金屬氧化物納米顆粒/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備
            2.1.3.3 電池的組裝
        2.1.4 表征方法及儀器
            2.1.4.1 材料的物理表征
            2.1.4.2 電化學(xué)性能測試
    2.2 結(jié)果與討論
        2.2.1 Mn₃O₄/NG復(fù)合電極材料的表征及電化學(xué)性能測試
            2.2.1.1 Mn₃O₄/NG復(fù)合材料理化性質(zhì)表征
            2.2.1.2 Mn₃O₄/NG復(fù)合材料電化學(xué)性能測試
        2.2.2 Fe₂O₃/NG復(fù)合電極材料的表征及電化學(xué)性能測試
            2.2.2.1 Fe₂O₃/NG復(fù)合材料理化性質(zhì)表征
            2.2.2.2 Fe₂O₃/NG復(fù)合材料電化學(xué)性能測試
    2.3 本章小結(jié)
第3章 非模板法制備過渡金屬氧化物空心球/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料及儲鋰性能
    3.1 實驗儀器及方法
        3.1.1 實驗原料
        3.1.2 主要儀器和檢測設(shè)備
        3.1.3 空心M_xO_y/NG (M=Co,Ni,Cu,Zn)復(fù)合材料合成方法
        3.1.4 電池的組裝
        3.1.5 表征方法及儀器
            3.1.5.1 材料的物理表征
            3.1.5.2 電化學(xué)性能測試
    3.2 結(jié)果與討論
        3.2.1 前驅(qū)體種類對反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響
        3.2.2 金屬-氨配位化學(xué)機理合成TMOs/石墨烯復(fù)合材料通用性探索
        3.2.3 TMOs空心納米結(jié)構(gòu)形成過程
        3.2.4 H-TMOs/NG復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)表征
        3.2.5 H-TMOs/NG復(fù)合材料氮摻雜表征
        3.2.6 H-TMOs/NG復(fù)合材料電化學(xué)性能測試
        3.2.7 循環(huán)后電極材料表征
    3.3 本章小結(jié)
第4章 氧化鎳納米晶/三維石墨烯骨架復(fù)合材料的設(shè)計合成及儲鋰性能
    4.1 實驗儀器及方法
        4.1.1 實驗原料
        4.1.2 主要儀器和檢測設(shè)備
        4.1.3 材料合成方法
        4.1.4 電池的組裝
        4.1.5 表征方法及儀器
            4.1.5.1 材料的物理表征
            4.1.5.2 電化學(xué)性能測試
    4.2 結(jié)果與討論
        4.2.1 前驅(qū)體形貌調(diào)控
        4.2.2 熱處理工藝
        4.2.3 XRD及TG分析
        4.2.4 Raman分析
        4.2.5 復(fù)合材料形貌及結(jié)構(gòu)分析
        4.2.6 XPS分析
        4.2.7 BET分析
        4.2.8 電化學(xué)性能測試
        4.2.9 循環(huán)后電極材料表征
    4.3 本章小結(jié)
第5章 機械液相剝離法宏量制備高質(zhì)量石墨烯負極材料探索
    5.1 實驗儀器及方法
        5.1.1 實驗原料
        5.1.2 主要儀器和檢測設(shè)備
        5.1.3 材料合成方法
            5.1.3.1 非氧化插層石墨(SI-Gr)的制備
            5.1.3.2 NMP為溶劑宏量機械剪切剝離石墨烯
            5.1.3.3 PVP輔助水相機械剪切剝離石墨烯
            5.1.3.4 二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料的制備
            5.1.3.5 電池的組裝
        5.1.4 表征方法及儀器
            5.1.4.1 材料的物理表征
            5.1.4.2 電化學(xué)性能測試
    5.2 結(jié)果與討論
        5.2.1 油相機械剝離制高質(zhì)量石墨烯及其儲鋰性能研究
            5.2.1.1 石墨烯濃度測定方法
            5.2.1.2 非氧化丁胺插層石墨工藝
            5.2.1.3 油相石墨烯乳液表征
            5.2.1.4 高質(zhì)量石墨烯鋰電負極性能表征
        5.2.2 水相機械剝離制高質(zhì)量石墨烯及其復(fù)合負極材料探索
            5.2.2.1 PVP輔助水相剪切剝離石墨烯
            5.2.2.2 二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料表征
            5.2.2.3 二硫化鉬/石墨烯復(fù)合材料鋰電負極性能表征
    5.3 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論、創(chuàng)新性與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 創(chuàng)新性
    6.3 展望
符號表
參考文獻
致謝
作者簡歷及攻讀學(xué)位期間發(fā)表文章目錄



本文編號：3946954