鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展對功率密度和能量密度提出了更高的要求。商業(yè)化石墨材料由于較低的能量密度和功率密度,無法滿足鋰電池發(fā)展需求,亟需開發(fā)下一代新型負(fù)極材料。錫基材料因為較高的比容量而備受關(guān)注,但其在循環(huán)過程中巨大的體積變化和結(jié)構(gòu)破壞限制了其進(jìn)一步發(fā)展。本論文圍繞改善錫基材料的導(dǎo)電性和抑制其體積膨脹問題,設(shè)計三維導(dǎo)電錫基材料并制備了一體化電極結(jié)構(gòu),不僅提高了電極的整體導(dǎo)電性,還具有較低的體積膨脹,同時提供了穩(wěn)定的界面性能。該一體化電極表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率特性,又具有長循環(huán)穩(wěn)定性。正文分為以下兩部分:（1）借鑒MOF材料的制備方法,在碳材料基底表面制備了SnO₂材料,并以PAN作為導(dǎo)電劑與粘結(jié)劑,構(gòu)筑一體化電極。碳材料基底、含氮SnO₂中間層和外部碳層共同構(gòu)筑了高效導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),并提供了大量的緩沖區(qū)域。這種設(shè)計在提高復(fù)合材料導(dǎo)電性的同時抑制了循環(huán)中的體積變化,保障了復(fù)合材料循環(huán)中的高導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,帶來了良好的倍率性能和大電流長循環(huán)穩(wěn)定性。（2）通過在石墨烯薄片上原位生長SnSSe控制了初級晶粒尺寸,而后自組裝形成三維花狀結(jié)構(gòu),并以聚丙烯腈碳化包覆... 

【文章來源】：浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同電池體系的功率密度/能量密度對比圖

用于鋰離子電池的錫基一體化電極結(jié)構(gòu)設(shè)計及機(jī)理研究21.2鋰離子電池1.2.1鋰離子電池的發(fā)展歷程圖1.2為實(shí)驗室早期研究中的電池模型示意圖。鋰離子電池在商品化后始終有著突破性發(fā)展：在電極材料上，J.B.Goodenough課題組報道的尖晶石型LiMn2O4[31]和橄欖石型LiFePO4[32]可逆脫嵌鋰離子材料由于綜合水平佳從而作為鋰離子電池正極材料；Tarasoon等[33]在1994年開發(fā)出兩種碳酸酯類電解液；Bellcore公司在1994年提出的聚合物鋰離子電池[34]極大地推動了電池安全性能的提升。從鋰離子電池的發(fā)現(xiàn)到目前的規(guī)�；瘧�(yīng)用僅僅經(jīng)歷了十幾年時間，其應(yīng)用范圍涉及到當(dāng)前生產(chǎn)生活的方方面面。在技術(shù)日益發(fā)展的今天，鋰離子二次電池已經(jīng)不僅局限于小型電子產(chǎn)品如手表、手機(jī)、電腦等，更多的是向大規(guī)模動力型產(chǎn)品方向發(fā)展如電動汽車、超大型電網(wǎng)系統(tǒng)等[17,35-37]。但從目前實(shí)際應(yīng)用來看，鋰電池的發(fā)展正面臨其可持續(xù)性（儲量有限、鋰礦價格上漲）的困擾及來自可再生能源與智能電網(wǎng)的壓力[38]。圖1.2實(shí)驗室早期鋰電池模型圖Figure1.2ThemodelofLithiumionbatteryintheearlyresearch1.2.2鋰離子電池的工作原理鋰離子電池的工作原理是鋰離子能夠在某些化合物中實(shí)現(xiàn)脫嵌反應(yīng)。因此在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液并穿過隔膜，再嵌入到負(fù)極材料中，外電路的電子從正極達(dá)到負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電荷平衡；在放電過程中，鋰離子從負(fù)極材料中脫出，經(jīng)過電解液穿過隔膜，再嵌入正極材料[39]。圖1.3為典型的以鈷酸鋰[40]為正極材料，石墨為負(fù)極材料的鋰離子電池在充放電過程中Li+傳輸示意圖，其中涉及的反應(yīng)如下：正極反應(yīng)：LiCoO2xLi++Li1xCoO2+xe（1.1）負(fù)極反應(yīng)：6C+xLi++xeLixC6（1.2）總反應(yīng)：LiCoO2+6CLixC6+Li1xCoO2（1.3）?

第一章緒論3圖1.3商用鈷酸鋰電池的充放電示意圖Figure1.3Thecharge/dischargeprocessschematicofcommercialLiCoO2battery1.3鋰離子電池負(fù)極材料負(fù)極材料是鋰離子電池四大關(guān)鍵材料之一，與正極材料、隔膜、電解質(zhì)共同決定了鋰離子電池的能量密度。目前，常用的鋰離子電池正極材料為含鋰態(tài)的嵌合型化合物，如鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料以及磷酸鐵鋰等[41-43]。負(fù)極材料除已商業(yè)化的石墨材料以外，還有金屬單質(zhì)錫、鋰及其合金、硅、過渡金屬非氧化物如FeS2和過渡金屬氧化物如Fe2O3及CuO等[44,45]。1.3.1鋰金屬基負(fù)極材料鋰金屬基負(fù)極材料是最早進(jìn)行研究工作的鋰離子電池負(fù)極材料。早在1965年，鋰金屬材料由于其超高的比容量（3860mAh/g）和較低的氧化還原電位（-3.040V），被視為最合適的負(fù)極材料[46]。但由于鋰金屬負(fù)極具有極其活潑的化學(xué)性質(zhì)，并且在早期研究中使用的電解質(zhì)為液態(tài)，鋰金屬負(fù)極在循環(huán)過程中會出現(xiàn)嚴(yán)重的鋰枝晶生長現(xiàn)象以及非常復(fù)雜的界面化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)陳鋰、死鋰甚至扎穿隔膜造成短路等情況，帶來巨大的安全隱患，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬材料的實(shí)際應(yīng)用[47,48]。因此，鋰金屬負(fù)極材料的研究一度擱置，直到近年來固態(tài)電解質(zhì)的出現(xiàn)大幅提高了其安全性，圍繞鋰金屬負(fù)極開展的改性研究才逐漸復(fù)興[49]。目前針對鋰金屬負(fù)極材料的改性策略主要有兩個方面，一是在鋰金屬表面人工構(gòu)筑穩(wěn)定高模量的SEI層以提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，二是通過優(yōu)化其固態(tài)電解質(zhì)組分進(jìn)一步提高導(dǎo)電性、物化穩(wěn)定性和加工性[50-52]。盡管安全性有所上升，但由于固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電性較低、鋰金屬表面反應(yīng)復(fù)雜等缺點(diǎn)，鋰金屬負(fù)極材料距離商業(yè)化仍需長久的實(shí)驗研究。

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3281929