本文關(guān)鍵詞：核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合電極的設(shè)計、制備及其電化學(xué)儲能特性研究　出處：《蘭州大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 負(fù)極材料 硅薄膜 NiSi_x合金 核殼結(jié)構(gòu) 泡沫石墨烯/硅復(fù)合材料 化學(xué)氣相沉積

【摘要】：鋰離子電池由于具有大的能量密度、高的工作電壓、長的使用壽命和可靠的安全性等優(yōu)點,從眾多的二次電池中脫穎而出,成為下一代安全、環(huán)保、高效電池的代表。作為實現(xiàn)其高效儲能的基礎(chǔ),電極材料和電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制備始終是新型鋰離子電池研發(fā)的熱點。目前的商用石墨由于質(zhì)量比容量較低(372mAhg-1),已不能滿足人們對更高容量二次電池的需求。各種新型負(fù)極材料如過渡族金屬氧化物、硅材料等,雖然具有遠(yuǎn)高于石墨材料的理論比容量,但本身較差的導(dǎo)電性以及循環(huán)過程中大的體積變化等阻礙了其實用化發(fā)展。 本論文針對目前新型鋰離子電池陽極普遍存在的循環(huán)穩(wěn)定性較差的問題,從電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計入手,圍繞核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合電極的設(shè)計、制備及其形貌、結(jié)構(gòu)表征和電極特性評價等開展了系統(tǒng)的研究工作,旨在改善具有高比容量的電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性及其高功率輸出特性。論文的主要研究內(nèi)容及所獲得的主要研究結(jié)果總結(jié)如下： (1)以泡沫鎳為襯底,采用簡單的化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)生長了NiSix納米結(jié)構(gòu)陣列,比較系統(tǒng)地研究了生長溫度、生長時間及生長氣壓等對NiSix形貌及結(jié)構(gòu)的影響。提出了在不同氣壓下軸向生長與徑向生長的競爭生長機理； (2)將所制備的泡沫鎳支撐NiSix納米線在空氣中400℃氧化1h,制備了NiSix/NiO核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列電極。發(fā)現(xiàn)在氧化包覆NiO殼層之前,對NiSi,納米線內(nèi)核進(jìn)行氫氟酸溶液腐蝕處理可顯著改善電極的電化學(xué)性能。200次循環(huán)后,經(jīng)30min氫氟酸腐蝕并氧化處理后獲得的電極的單位面積比容量高達(dá)1.28mA h cm-2,相比未經(jīng)氫氟酸處理直接氧化的電極提高了3倍多。討論了納米線表面粗糙化所導(dǎo)致的電容性儲鋰作用對電極容量的貢獻(xiàn)。電極循環(huán)穩(wěn)定性能的改善歸因于合理的核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計：導(dǎo)電性較好且非活性的NiSix納米線內(nèi)核可以為NiO殼層提供了有效的電子傳輸及穩(wěn)定的力學(xué)支撐；(3)采用電感耦合等離子體CVD技術(shù)在NiSix納米線和納米錐陣列上沉積了非晶硅(a-Si),制備出a-Si包覆NiSix納米線(NWs/Si)和納米錐(NCs/Si)兩種核殼結(jié)構(gòu)電極。在2.1A g-1的電流密度下,NWs/Si和NCs/Si電極經(jīng)50次循環(huán)后可逆比容量分別高達(dá)2650和2400mAhg-1,即使電流密度增大至8.4Ag-1,比容量仍然分別保持在1385和1220mA h g-1。顯著改善的電化學(xué)性能歸因于NiSix內(nèi)核優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)特性。納米線結(jié)構(gòu)在a-Si包覆過程中形成的互連網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也有效地改善了電極的電化學(xué)性能； (4)以泡沫鎳為犧牲模板,采用CVD技術(shù)制備了質(zhì)量輕、柔性好的自支撐泡沫石墨烯。以所制備的泡沫石墨烯為內(nèi)核兼集流體取代了NiSix納米結(jié)構(gòu),制備了Si薄膜包覆泡沫石墨烯(GF/Si)復(fù)合結(jié)構(gòu)電極。實驗發(fā)現(xiàn),GF/Si電極在0.22mAcm-2的電流密度下可逆面積比容量高達(dá)1.4mAhcm-2,對應(yīng)整體電極質(zhì)量比容量高達(dá)620mAhg-1,與NiSix/Si核殼結(jié)構(gòu)電極相比提高了約41倍。顯著的電極性能改進(jìn)歸因于電極中引入的泡沫石墨烯：中空結(jié)構(gòu)的泡沫石墨烯能夠最大限度的容納Si材料的體積膨脹,并起到反包覆活性Si材料的積極作用。
[Abstract]:Lithium ion batteries because of its high energy density, high voltage, long service life and safety of the advantages of reliable, from the two battery many talent shows itself, become the next generation of safety, environmental protection, high representative battery. As a basis for achieving the efficient storage, design and manufacture of electrode materials and the preparation of electrode structure is always a hot research model of lithium ion battery. The current commercial graphite because of lower quality than capacity (372mAhg-1), has been unable to meet the demand for higher capacity battery two times. All kinds of new anode materials such as transition metal oxide, silicon materials, although it is far higher than the theory of graphite materials the specific capacity, but the poor conductivity and circulation of large volume change is currently limited by development.
This thesis focuses on the cycle stability at present new anode of lithium ion battery is poor, starting from the design of electrode structure, focusing on the design of core-shell structure composite electrode, preparation and morphology, structure characterization and properties of electrodes were studied in engineering evaluation system, cycle stability and high power output characteristics to improve the electrode materials with high specific capacity. The main research content of the thesis and the results obtained are summarized as follows:
(1) on the foam nickel substrate by a simple chemical vapor deposition (CVD) technology. The NiSix nano array structure, systematically studied the influence of growth temperature, growth time and growth pressure on the morphology and structure of NiSix. The axial and radial growth growth under different pressures of competition growth mechanism;
(2) the preparation of nickel foam prepared supported NiSix nanowires in the air oxidation of 400 DEG C 1H, NiSix/NiO nanowires with core-shell structure array electrode was prepared. Before that, coated with NiO shells in the oxidation of NiSi nanowires, the kernel of hydrofluoric acid etching treatment can significantly improve the electrochemical performance of the electrodes after.200 cycles the unit area of the electrode, obtained by 30min and hydrofluoric acid corrosion after oxidation treatment than the capacity of up to 1.28mA h cm-2, compared with the electrode without direct oxidation of hydrofluoric acid treatment increased 3 times. The capacitive effect of nano lithium storage line surface roughening caused by the contribution to the electrode capacity. The cycle stability of electrode performance the improvement is attributed to the core-shell structure design reasonable, good electrical conductivity and non active NiSix nanowire core can provide effective electron transport and stable mechanical support for the NiO shell; (3) by inductively coupled Plasma CVD technology in NiSix nanowires and nano cone arrays were deposited on amorphous silicon (a-Si), the preparation of a-Si coated NiSix nanowires (NWs/Si) and nanotapers (NCs/Si) two kinds of core-shell structure. The electrode at a current density of 2.1A g-1, NWs/Si and NCs/Si electrode after 50 cycles the reversible the capacity was as high as 2650 and 2400mAhg-1, even if the current density increases to 8.4Ag-1, specific capacity were still keep a significant improvement in the electrochemical performance of 1220mA 1385 and H g-1. due to the electrical and mechanical properties of the NiSix kernel. Excellent interconnection network structure of nanowire structure in the process of the formation of the a-Si coating can effectively improve the electrochemical performance of electrode the;
(4) using foam nickel as sacrificial templates, prepared by the CVD technique of light quality, good flexibility of self supported foam graphene. The graphene prepared by foam as the kernel and collector instead of NiSix nanostructures, Si thin films were prepared by foam graphene (GF/Si) composite electrode. The experiment found that GF/Si electrode at a current density of 0.22mAcm-2 area than the reversible capacity up to 1.4mAhcm-2, corresponding to the overall quality of the electrode than the capacity of up to 620mAhg-1, and NiSix/Si core-shell structure compared with the electrode is increased by about 41 times. The foam graphene electrode performance significantly improved due to the introduction of the foam electrode: graphene hollow structure to maximize the capacity of Si material volume expansion, and play a positive role of anti Si activity of coating materials.

【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳偉;張以河;;鋰電池用PEO基固態(tài)聚合物電解質(zhì)研究進(jìn)展及應(yīng)用[J];工程塑料應(yīng)用;2010年06期

2 宋學(xué)萍;王佩紅;孫兆奇;;射頻濺射Si膜的微結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)研究[J];安徽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年03期

3 李承荃;;Bravais立方晶系干涉原子晶面剖析[J];安徽工學(xué)院學(xué)報;1993年01期

4 鄒如意;李妍;鄒珍友;楊夢;徐碩琪;徐茂鑫;邵盛熙;胡瓊英;王芳;;用掃描電鏡觀察不鍍導(dǎo)電膜對大腸桿菌損傷和圖像的影響[J];安徽農(nóng)業(yè)科學(xué);2009年32期

5 趙寶明，，蘭紹鵬，姜麗娜;硅點陣常數(shù)精確測定及系統(tǒng)誤差處理[J];鞍山鋼鐵學(xué)院學(xué)報;1996年05期

6 孫文勝;X射線衍射數(shù)據(jù)處理過程中的參數(shù)確定方法[J];鞍山師范學(xué)院學(xué)報;2000年03期

7 劉國龍;關(guān)巍;高遠(yuǎn);;TCO玻璃的應(yīng)用及制備方法[J];安陽工學(xué)院學(xué)報;2010年02期

8 溫梁,汪家友,楊銀堂;超大規(guī)模集成電路中低介電常數(shù)薄膜的制備與檢測技術(shù)[J];微納電子技術(shù);2004年03期

9 林煒;馬瑞新;;高溫超導(dǎo)YBCO薄膜及其制備[J];微納電子技術(shù);2006年08期

10 陳光華,蔡讓岐,宋雪梅,賀德衍;多孔硅襯底微波CVD金剛石薄膜的制備及其場電子發(fā)射[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2004年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 彭佳瑩;周露;楊椰;鐘耕;;新型氧化劑微波干法制備氧化淀粉及其性能研究[A];管產(chǎn)學(xué)研助推食品安全重慶高峰論壇——2011年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程分會學(xué)術(shù)年會暨全國食品科學(xué)與工程博士生學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2011年

2 崔少華;楊曉民;;用于圓柱形鋰離子電池的注液工裝[A];節(jié)能環(huán)保 和諧發(fā)展——2007中國科協(xié)年會論文集（一）[C];2007年

3 劉平;趙學(xué)全;關(guān)麗;梁祿生;陳土華;童真;鄧文基;;新型有機電致變色材料的制備及其性能[A];低碳技術(shù)與材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會論文集[C];2010年

4 梁亮;王瑋;吳惠康;房晶瑞;鮑玉勝;;聚合物電解質(zhì)的研究與進(jìn)展[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（4）[C];2007年

5 任麗;張雪峰;王立新;張福強;;聚吡咯電導(dǎo)率對鋰/聚吡咯二次電池性能的影響[A];第六屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（4）[C];2007年

6 周曉玲;黃瑞安;吳肇聰;楊斌;戴永年;;溶膠-凝膠法合成Li_4Ti_5O_(12)鋰離子電池負(fù)極材料及其電化學(xué)性能研究[A];第七屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第6分冊）[C];2010年

7 宋文生;閻宏云;付青存;劉翠云;張玉清;;PEO在聚合物鋰離子電池中的應(yīng)用[A];中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會第十三次年會論文集[C];2006年

8 廖道達(dá);陸德強;劉文燕;邱君苑;;金剛石錦上添花[A];2005年中國機械工程學(xué)會年會論文集第11屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議專輯[C];2005年

9 黎火林;賈穎;;鋰離子電池失效機理分析[A];2007'第十二屆全國可靠性物理學(xué)術(shù)討論會論文集[C];2007年

10 蔣子江;齊力;;有機/無機納米雜化電解質(zhì)的FT-IR和NMR結(jié)構(gòu)表征[A];第十六屆全國波譜學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 游峰;面向微波應(yīng)用的鉈系高溫超導(dǎo)薄膜研究[D];南開大學(xué);2010年

2 譚紅琳;金屬離子摻雜的ZnO第一性原理計算及透明導(dǎo)電薄膜制備研究[D];昆明理工大學(xué);2009年

3 尚杰;鐵電氧化物薄膜的制備及其激光感生電壓效應(yīng)[D];昆明理工大學(xué);2010年

4 張黎明;電磁輻射中低能電子誘導(dǎo)DNA直接損傷的理論研究[D];山東大學(xué);2010年

5 相佳媛;鋰離子電池相變型負(fù)極材料銅、鎳系化合物的設(shè)計制備及改性研究[D];浙江大學(xué);2011年

6 丁元力;微納結(jié)構(gòu)LiMn_2O_4的可控合成及其電化學(xué)性能研究[D];浙江大學(xué);2011年

7 趙旺;MOCVD法制備氧化鋅發(fā)光器件及薄膜晶體管的研究[D];吉林大學(xué);2011年

8 岳紅云;柔性襯底薄膜光伏電池相關(guān)材料制備及性能[D];大連理工大學(xué);2011年

9 汪達(dá);嵌入型含鋰金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

10 竇樹梅;鋰離子電池正極材料Li-Ni-Mn-O體系的制備與改性研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 楊傳浩;鋰離子電池正極材料LiFePO_4交流阻抗的研究[D];山東科技大學(xué);2010年

2 秦明;鋰離子電池正極材料磷酸錳鋰合成方法的研究[D];山東科技大學(xué);2010年

3 周書剛;真空陰極弧制備納米復(fù)合Zr-C-N薄膜的研究[D];長春理工大學(xué);2010年

4 趙纓慰;900nm～1100nm抗激光損傷高反射膜的研究[D];長春理工大學(xué);2010年

5 林俊;串聯(lián)動力蓄電池均衡充電技術(shù)的研究[D];浙江理工大學(xué);2010年

6 姜雅麗;La_2Mo_3O_（12）薄膜的制備和光學(xué)性能的研究[D];鄭州大學(xué);2010年

7 程慧;正交相Y_2Mo_3O_（12）薄膜的制備及光吸收性能研究[D];鄭州大學(xué);2010年

8 孫亮;電弧離子鍍內(nèi)孔鍍膜研究[D];大連理工大學(xué);2010年

9 單海燕;ZnO薄膜的水溶液法制備及Li~+、檸檬酸鈉對ZnO生長的影響[D];大連理工大學(xué);2010年

10 張心怡;基于穩(wěn)定固溶體合金團(tuán)簇模型的無擴散阻擋層Cu-Ni-Mo三元薄膜[D];大連理工大學(xué);2010年

本文編號：1380209