本文關(guān)鍵詞：T相五氧化二鈮鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 T相氧化鈮 氮摻雜石墨烯 中間相碳微球石墨 鈦納米線陣列

【摘要】：便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展對(duì)移動(dòng)電源的安全性能、充放電速度及循環(huán)壽命提出了更高的要求。開(kāi)發(fā)出具備高穩(wěn)定性和高功率密度的電極材料是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要因素。最近,T-Nb_2O_5以其高超的穩(wěn)定性和卓越的倍率性能引起了人們的高度關(guān)注。但是,低的電子導(dǎo)電率限制了其高速充放電性能的發(fā)揮。如何提升T-Nb_2O_5的電導(dǎo)率而不降低其高倍率性能和能量密度是進(jìn)一步提高其性能的關(guān)鍵。我們以T-Nb_2O_5為研究對(duì)象,制備出多種復(fù)合材料,通過(guò)提升材料的電導(dǎo)率來(lái)改善其作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的能量密度及倍率性能。主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)采用水熱法制備出T-Nb_2O_5/氮摻雜石墨烯(N-GO)復(fù)合材料。T-Nb_2O_5納米粒子在氮摻雜石墨烯片層上的均勻分布顯著提高了材料的電導(dǎo)率,并且阻止了納米粒子之間的團(tuán)聚。該復(fù)合材料的性能較T-Nb_2O_5或者T-Nb_2O_5/石墨烯相比有顯著的提升。在3 A g-1電流密度下,500次充放電循環(huán)后,其容量保持率高至94%,表現(xiàn)出極佳的循環(huán)穩(wěn)定性。然后,我們進(jìn)一步探究了N-GO的含量(MNGO:MNb_2O_5=1:1,1:2,2:1)對(duì)復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量比為2:1時(shí),復(fù)合材料的電化學(xué)性能最好。在15 A g-1電流密度下,循環(huán)500圈后,仍能釋放出85 mAh g-1的容量。(2)為進(jìn)一步提高T-Nb_2O_5基材料的能量密度,本文通過(guò)熱水浴法將T-Nb_2O_5納米粒子填充到擴(kuò)層的中間相碳微球石墨(MCMB)的片層中,并通過(guò)隨后的高溫煅燒處理,形成了具有三維層狀結(jié)構(gòu)的T-Nb_2O_5/MCMB。填充的T-Nb_2O_5納米粒子能提高M(jìn)CMB的層間距,提高了鋰離子在石墨層間的嵌入脫出速度,改善了材料的倍率性能。其在90 A g-1的高電流密度下500次循環(huán)后,容量仍高達(dá)100mAh g-1。重要的是,T-Nb_2O_5會(huì)覆蓋擴(kuò)層MCMB表面大量的含氧官能團(tuán),而且后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程使EMCMB重新石墨化,所有這些都這會(huì)顯著降低材料的不可逆容量損失(8.7%)。此外,T-Nb_2O_5/MCMB較高的振實(shí)密度使其在3A g-1的電流密度下,仍具有較高的體積能量密度(200 Ah L-1)。(3)為尋找一種更簡(jiǎn)單可行提高T-Nb_2O_5電導(dǎo)率的方法,我們通過(guò)電沉積制備出Ti@T-Nb_2O_5類核殼結(jié)構(gòu),可直接用作自支撐電極材料,無(wú)需粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑,裝配工藝簡(jiǎn)單。幾nm的T-Nb_2O_5納米晶尺均勻的分布在鈦納米線陣列表面,表現(xiàn)出極佳的倍率性能。在6 A g-1的電流密度下時(shí),其容量可達(dá)260 mAh g-1,遠(yuǎn)高于T-Nb_2O_5/N-GO及T-Nb_2O_5/MCMB在同等放電制度下的容量。其優(yōu)異的倍率性能歸因于復(fù)合材料具有獨(dú)特的三維陣列結(jié)構(gòu)能有效改善材料整體的導(dǎo)電性。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 T相氧化鈮 氮摻雜石墨烯 中間相碳微球石墨 鈦納米線陣列
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-30
• 1.1 課題背景及意義11
• 1.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理11-12
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制及其發(fā)展進(jìn)程12-28
• 1.3.1 碳基負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰機(jī)理12-13
• 1.3.2 碳材料研究進(jìn)展13-15
• 1.3.3 非碳基負(fù)極材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制及其發(fā)展歷程15-18
• 1.3.4 鈮基氧化物在鋰離子電池中的應(yīng)用18-28
• 1.4 課題設(shè)計(jì)思路及依據(jù)28-30
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料和測(cè)試原理30-35
• 2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器30-31
• 2.2 物化性能表征方法31-33
• 2.2.1 X射線衍射分析(XRD)31-32
• 2.2.2 X射線光電子能譜測(cè)試(XPS)32
• 2.2.3 掃描電子顯微鏡技術(shù)(SEM)32
• 2.2.4 X射線能譜測(cè)試(EDS)32
• 2.2.5 透射電子顯微鏡技術(shù)(TEM)32-33
• 2.2.6 紅外光譜譜測(cè)試(IR)33
• 2.2.7 氮?dú)馕摳綔y(cè)試(BET)33
• 2.2.8 熱重分析(TG)33
• 2.3 鋰離子電池的裝配33-34
• 2.4 電化學(xué)性能測(cè)試34-35
• 2.4.1 循環(huán)伏安測(cè)試34
• 2.4.2 恒流充放電測(cè)試34
• 2.4.3 交流阻抗測(cè)試(EIS)34-35
• 第3章 T-Nb_2O_5/N-Go復(fù)合材料的研究35-50
• 3.1 引言35-37
• 3.1.1 石墨烯的制備36
• 3.1.2 T-Nb_2O_5納米顆粒的制備36
• 3.1.3 T-Nb_2O_5/GO的制備36
• 3.1.4 T-Nb_2O_5/N-GO的制備36-37
• 3.2 T-Nb_2O_5/N-GO復(fù)合材料的表征37-42
• 3.3 T-Nb_2O_5/N-GO的電化學(xué)性能研究42-45
• 3.3.1 循環(huán)伏安測(cè)試42
• 3.3.2 循環(huán)穩(wěn)定性能42-45
• 3.4 T-Nb_2O_5/N-GO儲(chǔ)鋰機(jī)理的研究45-49
• 3.5 本章小結(jié)49-50
• 第4章 T-Nb_2O_5/MCMB復(fù)合材料的研究50-69
• 4.1 引言50
• 4.2 T-Nb_2O_5/MCMB復(fù)合材料的制備50-51
• 4.2.1 EMCMB的制備50-51
• 4.2.2 T-Nb_2O_5/MCMB的制備51
• 4.3 T-Nb_2O_5/MCMB復(fù)合材料的表征51-61
• 4.4 T-Nb_2O_5/MCMB復(fù)合材料的電化學(xué)性能研究61-67
• 4.4.1 循環(huán)伏安測(cè)試61-62
• 4.4.2 充放電曲線測(cè)試62-67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第5章 Ti@T-Nb_2O_5納米顆粒的研究69-81
• 5.1 引言69-70
• 5.2 Ti@T-Nb_2O_5納米顆粒的制備70
• 5.2.1 Ti納米線陣列的制備70
• 5.2.2 Ti@T-Nb_2O_5納米顆粒的制備70
• 5.3 Ti@T-Nb_2O_5納米顆粒的表征70-75
• 5.4 Ti@T-Nb_2O_5的電化學(xué)性能研究75-80
• 5.4.1 倍率性能75-76
• 5.4.2 循環(huán)穩(wěn)定性能76-78
• 5.4.3 循環(huán)伏安測(cè)試78-80
• 5.5 本章小結(jié)80-81
• 結(jié)論81-83
• 參考文獻(xiàn)83-93
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果93-95
• 致謝95

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