鎳基化合物/碳復(fù)合材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2021-02-27 10:03
隨著電動汽車和消費(fèi)性電子設(shè)備的飛速發(fā)展,對于鋰離子電池的需求也在急劇增加。而目前的商用石墨負(fù)極,由于受限于其較低的理論容量,因而很難滿足實(shí)際發(fā)展的需要。因此,對于高性能負(fù)極材料的探索變得至關(guān)重要。在大量的負(fù)極材料中,鎳基化合物憑借其高理論容量、儲量充足、環(huán)境友好等優(yōu)勢而備受研究工作者青睞,特別是NiO和NiS2,在鋰離子電池中都展現(xiàn)出了很高的理論容量(>700 mAh g-1)。然而,固有的低電導(dǎo)率以及循環(huán)過程中嚴(yán)重的體積變化是這兩種電極材料所面臨的關(guān)鍵性問題。如何有效緩解這些問題對電極材料本身的影響,并充分發(fā)揮材料的儲鋰潛能,成為當(dāng)前研究者們共同努力的方向。目前的大量研究表明,以碳基材料為基體來構(gòu)筑具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料對于活性材料整體的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性都有很明顯的改善。基于對上述問題的綜合考慮,本文以SiO2為模板,通過合理設(shè)計(jì)三維多孔碳骨架和鎳基化合物的復(fù)合材料來有效改善鎳基材料在導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面存在的不足。主要研究成果包括:（1）采用SiO2硬模板并結(jié)合水熱處理、高溫退火和化學(xué)刻蝕...
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：75 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池的工作原理圖[14]
第1章緒論5和雜原子摻雜所產(chǎn)生的協(xié)同作用，改性后的石墨烯電極材料在55℃的溫度條件下，在電流密度為5Ag-1時，經(jīng)過1000圈循環(huán)后仍有810mAhg-1的比容量[23]。顯然，石墨烯材料在鋰存儲方面極具潛力，但是易團(tuán)聚的問題也很大程度地限制了其在各個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用[24]。所以，該材料也逐漸成為了導(dǎo)電添加劑，用來與其他導(dǎo)電性差的化合物復(fù)合進(jìn)行使用，以此提高復(fù)合材料整體的導(dǎo)電性[25,26]。除了石墨化碳材料外，非石墨化的無定型碳以其可逆容量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、層間距大的優(yōu)勢而逐漸進(jìn)入了研究者的視野。碳原子的無序排列導(dǎo)致了更大層間距和更多的缺陷，這有利于電解液充分浸潤活性材料。而且，也能夠提供更大的空間去儲存鋰離子，這也能夠在提升可逆容量和快速充放電性能方面發(fā)揮積極作用。比如，Yang等人以蔗糖為原料合成了納米多孔的硬碳材料。納米多孔的結(jié)構(gòu)有助于容納更多的鋰離子，同時也能夠有效縮短電解液和鋰離子的擴(kuò)散路徑。正是如此，這種多孔的無定型碳負(fù)極在鋰離子電池中表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能（332.8mAhg-1）和較高的比容量[27]。但是，這類碳材料也存在著電壓平臺不明顯，不可逆容量高等缺點(diǎn)。圖1.2DHPG電極的形貌表征。（a）、（b）是DHPG電極的SEM圖。DHPG電極的（c）TEM圖和（d）HRTEM圖[23]。Figure1.2MorphologycharacterizationsofDHPGelectrode.(a),(b)SEMimagesofDHPGelectrode.(c)TEMimageand(d)HRTEMimageofDHPGelectrode.
示。在用于鋰離子電池中時表現(xiàn)出極其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，當(dāng)電流密度是2.1Ag-1時，循環(huán)40圈后容量保留率仍接近100%。即使在8.4Ag-1時，70個循環(huán)周期后也有～90%的容量保留率（～1800mAhg-1）。這種納米結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)反應(yīng)中嚴(yán)重的體積變化，而且由于能和集流體直接接觸，所有的納米線都能參與到合金化的過程中，從而改善了循環(huán)性能[34]。Liu等人利用模板輔助電沉積的方式制得了鍺納米管，在0.2C時，初始放電容量高達(dá)1641mAhg-1，充電容量為1260mAhg-1。而且，250個循環(huán)周期后的容量保持率相對于第50個周期仍有98%[35]。圖1.3Si納米線電極在不同方向下的SEM圖。（a）Si納米線的橫截面圖。（b）Si納米線的俯視和放大圖[33]。Figure1.3SEMimagesofSinanowireselectrodeindifferentdirections.(a)cross-sectionalviewofSiNWs.(b)TopandenlargedviewofSiNWs.另外，研究表明，合金材料與碳基材料復(fù)合也是一種有效的策略去緩解體積膨脹帶來的容量衰減問題[36,37]。例如，Chen等[38]人將硅納米粒子用雙碳?xì)そY(jié)構(gòu)進(jìn)行包覆并用于鋰離子電池測試，該復(fù)合材料在0.2C時，充電容量高達(dá)1802mAhg-1，首圈庫倫效率也有69%。而且，1000個循環(huán)周期之后仍然有75.2%的容量保留率。Shang及其合作者在硅納米顆粒上原位編織了全碳石墨烯涂層，這種結(jié)構(gòu)為硅顆粒保留了合理的空隙，而且構(gòu)建了穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地抑制了體積改變所引起的結(jié)構(gòu)破壞。因此，該負(fù)極材料充分展示了硅在容量方面的優(yōu)勢，以2Ag-1的電流密度循環(huán)1450圈之后，比容量仍保持有1503mAhg-1[39]。
本文編號：3054068
【文章來源】：吉林大學(xué)吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：75 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池的工作原理圖[14]
第1章緒論5和雜原子摻雜所產(chǎn)生的協(xié)同作用，改性后的石墨烯電極材料在55℃的溫度條件下，在電流密度為5Ag-1時，經(jīng)過1000圈循環(huán)后仍有810mAhg-1的比容量[23]。顯然，石墨烯材料在鋰存儲方面極具潛力，但是易團(tuán)聚的問題也很大程度地限制了其在各個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用[24]。所以，該材料也逐漸成為了導(dǎo)電添加劑，用來與其他導(dǎo)電性差的化合物復(fù)合進(jìn)行使用，以此提高復(fù)合材料整體的導(dǎo)電性[25,26]。除了石墨化碳材料外，非石墨化的無定型碳以其可逆容量高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、層間距大的優(yōu)勢而逐漸進(jìn)入了研究者的視野。碳原子的無序排列導(dǎo)致了更大層間距和更多的缺陷，這有利于電解液充分浸潤活性材料。而且，也能夠提供更大的空間去儲存鋰離子，這也能夠在提升可逆容量和快速充放電性能方面發(fā)揮積極作用。比如，Yang等人以蔗糖為原料合成了納米多孔的硬碳材料。納米多孔的結(jié)構(gòu)有助于容納更多的鋰離子，同時也能夠有效縮短電解液和鋰離子的擴(kuò)散路徑。正是如此，這種多孔的無定型碳負(fù)極在鋰離子電池中表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能（332.8mAhg-1）和較高的比容量[27]。但是，這類碳材料也存在著電壓平臺不明顯，不可逆容量高等缺點(diǎn)。圖1.2DHPG電極的形貌表征。（a）、（b）是DHPG電極的SEM圖。DHPG電極的（c）TEM圖和（d）HRTEM圖[23]。Figure1.2MorphologycharacterizationsofDHPGelectrode.(a),(b)SEMimagesofDHPGelectrode.(c)TEMimageand(d)HRTEMimageofDHPGelectrode.
示。在用于鋰離子電池中時表現(xiàn)出極其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，當(dāng)電流密度是2.1Ag-1時，循環(huán)40圈后容量保留率仍接近100%。即使在8.4Ag-1時，70個循環(huán)周期后也有～90%的容量保留率（～1800mAhg-1）。這種納米結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)反應(yīng)中嚴(yán)重的體積變化，而且由于能和集流體直接接觸，所有的納米線都能參與到合金化的過程中，從而改善了循環(huán)性能[34]。Liu等人利用模板輔助電沉積的方式制得了鍺納米管，在0.2C時，初始放電容量高達(dá)1641mAhg-1，充電容量為1260mAhg-1。而且，250個循環(huán)周期后的容量保持率相對于第50個周期仍有98%[35]。圖1.3Si納米線電極在不同方向下的SEM圖。（a）Si納米線的橫截面圖。（b）Si納米線的俯視和放大圖[33]。Figure1.3SEMimagesofSinanowireselectrodeindifferentdirections.(a)cross-sectionalviewofSiNWs.(b)TopandenlargedviewofSiNWs.另外，研究表明，合金材料與碳基材料復(fù)合也是一種有效的策略去緩解體積膨脹帶來的容量衰減問題[36,37]。例如，Chen等[38]人將硅納米粒子用雙碳?xì)そY(jié)構(gòu)進(jìn)行包覆并用于鋰離子電池測試，該復(fù)合材料在0.2C時，充電容量高達(dá)1802mAhg-1，首圈庫倫效率也有69%。而且，1000個循環(huán)周期之后仍然有75.2%的容量保留率。Shang及其合作者在硅納米顆粒上原位編織了全碳石墨烯涂層，這種結(jié)構(gòu)為硅顆粒保留了合理的空隙，而且構(gòu)建了穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有效地抑制了體積改變所引起的結(jié)構(gòu)破壞。因此，該負(fù)極材料充分展示了硅在容量方面的優(yōu)勢，以2Ag-1的電流密度循環(huán)1450圈之后，比容量仍保持有1503mAhg-1[39]。
本文編號：3054068
本文鏈接：http://sikaile.net/shoufeilunwen/boshibiyelunwen/3054068.html
最近更新
教材專著
