【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)交通工具在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛地應(yīng)用,這與鋰離子電池技術(shù)的快速發(fā)展是密不可分的。在鋰離子電池中,負(fù)極材料的研究是一個(gè)重要方向。目前,商業(yè)用鋰離子電池負(fù)極材料主要為石墨,其理論比容量僅372 m Ah g~(-1),達(dá)不到新型高儲(chǔ)鋰電池的要求。過渡金屬氧化物(M_xO_y,M=Fe,Co,Mn)在自然界中儲(chǔ)量豐富,對(duì)環(huán)境無污染,作為鋰離子電池負(fù)極材料具有較高的理論比容量。然而,大多數(shù)過渡金屬氧化物導(dǎo)電性較差,作為負(fù)極材料在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)變化較大,影響了電池的循環(huán)穩(wěn)定性和循環(huán)壽命。合理的改性是使過渡金屬氧化物成為商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料的重要途徑。研究表明,碳納米管具有獨(dú)特的中空管狀結(jié)構(gòu)及重量輕、電導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)良性能,但作為鋰離子電池負(fù)極材料容量過低,不適合單獨(dú)作為負(fù)極材料使用�；谝陨峡紤],本文選用碳納米管作為骨架與過渡金屬氧化物復(fù)合,制備具有鋼筋混凝結(jié)構(gòu)的復(fù)合負(fù)極材料來改善過渡金屬氧化物的電化學(xué)性能;將碳納米管作為支撐骨架,充分利用其高的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度來提高過渡金屬氧化物的循環(huán)穩(wěn)定性;制備雙金屬氧化物-碳納米管的三元復(fù)合材料,利用不同金屬氧化物之間的協(xié)同作用進(jìn)一步提升過渡金屬氧化物的電化學(xué)循環(huán)性能,本文主要的研究內(nèi)容如下:(1)采用溶膠凝膠煅燒法,制備了Fe_2O_3-MWNTs復(fù)合材料并利用SEM、TEM、XRD、XPS和BET對(duì)復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行了物理表征,利用CV和EIS對(duì)復(fù)合材料的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和導(dǎo)電性進(jìn)行了電化學(xué)性能表征。測試結(jié)果表明,硝酸鐵和檸檬酸的摩爾比為1:1時(shí)制備的Fe_2O_3-MWNTs復(fù)合物作為鋰離子電池負(fù)極材料展現(xiàn)出最優(yōu)良的電化學(xué)循環(huán)性能:在100 mA g~(-1)的電流密度下,經(jīng)過100圈充放電循環(huán)后其放電比容量依然保持在896.3 m Ah g~(-1)。在100、200、500、1000、2000和100 mA g~(-1)的電流密度下各循環(huán)10圈后,Fe_2O_3-MWNTs復(fù)合材料的平均放電比容量分別為864、842、728、631、551和870 m Ah g~(-1)。其首次庫倫效率達(dá)到了75.5%。(2)采用溶膠凝膠煅燒的合成路線,合成出異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Fe_2O_3-Mn_3O_4-MWNTs復(fù)合材料并利用SEM、TEM、XRD、XPS和BET對(duì)復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行了物理表征,利用CV和EIS對(duì)復(fù)合物的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和導(dǎo)電性進(jìn)行了電化學(xué)性能表征。循環(huán)測試結(jié)果顯示,硝酸鐵和乙酸錳的摩爾比為3:2時(shí)制備的Fe_2O_3-Mn_3O_4-MWNTs復(fù)合物具有最佳的電化學(xué)循環(huán)性能:在100 mA g~(-1)的電流密度下循環(huán)100圈其放電比容量依然能達(dá)到956 m Ah g~(-1)且沒有明顯的容量衰減;在500 mA g~(-1)的電流密度下循環(huán)300圈其放電比容量也能保持在475 mAh g~(-1);將材料依次在100、200、500、1000、2000和100 m A g~(-1)的電流密度下分別循環(huán)10圈后,Fe_2O_3-Mn_3O_4-MWNTs復(fù)合物的平均放電比容量依次為951、810、743、632、470和944 m Ah g~(-1)。(3)以碳納米管為骨架,合成了三元CoFe_2O_4-MWNTs復(fù)合材料并利用SEM、TEM、XRD、XPS和BET對(duì)復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行了物理表征,利用CV和EIS對(duì)復(fù)合物的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和導(dǎo)電性進(jìn)行了電化學(xué)性能表征。通過循環(huán)性能測試,CoFe_2O_4-MWNTs復(fù)合物作為鋰離子電池負(fù)極材料在較大電流密度下表現(xiàn)出優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性:材料在1000 m A g~(-1)的電流密度下循環(huán)1000圈,沒有出現(xiàn)明顯的衰減,放電比容量依然保持在371 m Ah g~(-1)。將材料依次在100、200、500、1000、2000、3000和100m A g~(-1)的電流密度下分別循環(huán)10圈后,CoFe_2O_4-MWNTs復(fù)合物的平均放電比容量依次為934、899、798、722、644、581和1014 m Ah g~(-1)。綜上所述,本文設(shè)計(jì)采用溶膠凝膠煅燒的路線合成的單金屬鐵氧化物/碳納米管復(fù)合材料、雙金屬鐵錳異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化物/碳納米管復(fù)合材料和雙金屬三元鐵酸鈷/碳納米管復(fù)合材料都具有較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能。材料優(yōu)良的電化學(xué)性能可以歸結(jié)于以下兩個(gè)方面:從材料的結(jié)構(gòu)分析,以碳納米管為骨架的鋼筋混凝結(jié)構(gòu)提高了材料的導(dǎo)電性并加快了離子傳輸速率,同時(shí)也增強(qiáng)了材料的機(jī)械強(qiáng)度;從材料的組成分析,不同金屬氧化物之間的協(xié)同作用緩解了充放電過程中巨大的體積膨脹而導(dǎo)致的材料脫落問題,增強(qiáng)了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912
【圖文】：

發(fā)展伴隨著能源的開發(fā)與利用。一直以來，人們對(duì)能源的獲在目前技術(shù)條件下，化石燃料的能量轉(zhuǎn)化效率低且燃燒過程。隨著人們對(duì)化石燃料的過度開發(fā)利用，全球氣候變暖，霧突出。開發(fā)清潔能源，減少對(duì)化石燃料的依賴是實(shí)現(xiàn)人類的能是清潔的可再生能源，將太陽能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存使求。然而，太陽能和風(fēng)能屬于間歇性能源，這種能源在集成高的要求。因此，尋求一種新的儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)這種間歇性要[2, 3]。鋰離子電池作為一種新的儲(chǔ)能裝置，具有能量密度高高、自放電率低和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在太陽能和風(fēng)能的集成體的應(yīng)用。作為儲(chǔ)能裝置，鋰離子電池更輕便、容量更高，通工具中也得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。如圖 1-1 所示，是鋰的部分應(yīng)用[4]。

池鐵基氧化物復(fù)合負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能的研和工作原理-batteries）是由鋰電池發(fā)展而來的。鋰電池的硫酰氯，電池組裝完成后即有電壓，不需要充子電池稱為鋰離子二次電池，是以碳材料作電電池，在充放電過程中鋰離子在正負(fù)極之間成：負(fù)極-石墨，正極-氧化鈷鋰和電解液-含鋰離子電池的工作原理如圖 1-2 所示[5]：

鋰離子電池鐵基氧化物復(fù)合負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能的研究Wang 等人采用 Ag 化學(xué)沉積的方法制備 3D 多孔硅，其中摻加的單質(zhì) Ag 有助于提材料整體的導(dǎo)電性，對(duì)合成的材料進(jìn)行電化學(xué)性能測試，顯示該材料作為鋰離子電池極首次放電比容量為1906 mAh g-1，經(jīng)過50次循環(huán)后，放電比容量保持在755 mAh g-1，量保持率為 39.6%[33]。多孔結(jié)構(gòu)和表面包覆碳膜對(duì)提高硅基材料的電化學(xué)循環(huán)性能具一定的改善性。其中，多孔結(jié)構(gòu)為 Li+的快速遷移提供了更多的通道，且有利于減小體結(jié)構(gòu)的變化；表面包覆的碳膜有助于形成穩(wěn)定的 SEI 膜，提升電池的首次庫倫效率循環(huán)的穩(wěn)定性。但是，硅基和錫基負(fù)極材料在充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)變化較大的問題然存在。

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本文編號(hào)：2765987