發(fā)布時(shí)間：2017-12-08 19:03

  本文關(guān)鍵詞：燃燒法制備鐵酸鹽鋰、鈉離子電池負(fù)極材料及其性能研究

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【摘要】：鋰離子電池技術(shù)如今已比較成熟并在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用,鈉離子電池則是一種極具潛力的儲(chǔ)能器件。目前商業(yè)上使用的鋰離子電池負(fù)極材料多為石墨材料,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且工藝相對(duì)成熟,但較低的理論容量(372 mAhg-1)難以滿足人們對(duì)高能量密度電池的需求。另一方面,鈉離子電池電極材料的研究正處于探索階段,研究最廣泛的碳材料負(fù)極存在可逆容量和首次庫(kù)倫效率低的缺點(diǎn)。因此,探索新型高容量、低成本的鈉離子電池負(fù)極材料迫在眉睫。鐵酸鹽類材料通過轉(zhuǎn)換反應(yīng)可以同時(shí)與多個(gè)鋰、鈉離子作用,實(shí)現(xiàn)多電子反應(yīng),使其具有多倍于石墨材料的理論容量。此外,相比于嵌入式鈉離子電池負(fù)極對(duì)材料結(jié)構(gòu)和層間距的高要求,鐵酸鹽具有易與鈉離子結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。但是,充放電過程中此類材料存在嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng),易導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞、粉化并從集流體上脫落,從而降低了電池的循環(huán)壽命。此外,傳統(tǒng)的鐵酸鹽制備方法存在實(shí)驗(yàn)流程長(zhǎng)、設(shè)備要求高、操作復(fù)雜和污染環(huán)境等問題,限制了它的應(yīng)用。本論文針對(duì)上述問題,通過簡(jiǎn)單高效的燃燒法將實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行有效簡(jiǎn)化,獲得了不同形貌和組成的鐵酸鹽材料,并作為鋰、鈉離子電池負(fù)極材料,研究和探討了其形貌和電化學(xué)性能。本論文的主要工作如下:(1)甘氨酸含有高活性的氨基,其絡(luò)合效果上要優(yōu)于燃燒法常用的檸檬酸。以甘氨酸為絡(luò)合劑和燃劑,采用燃燒法分別制備ZnFe204和CoFe2O4負(fù)極材料。所得材料具有較高的結(jié)晶度并呈現(xiàn)納米多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這些孔洞有利于緩解充放電過程中材料體積變化造成的結(jié)構(gòu)坍塌。電化學(xué)測(cè)試顯示,在電流密度200 mAg-1下,ZnFe2O4和CoFe2O4首次放電容量分別為1404.06和1258.6mAhg-1,循環(huán)80次后放電容量為1037.2和994.3 mAh g-1,并且在高電流密度1000 mA g-1下循環(huán)300 圈后 ZnFe2O4 和 CoFe2O4 放電容量能維持在 794.7 mAh g-1 和 746.5 mAh g-1,表明材料循環(huán)壽命和倍率性能非常優(yōu)秀。各項(xiàng)測(cè)試中,ZnFe2O4均表現(xiàn)出優(yōu)于CoFe2O4的性能。此合成方法能夠簡(jiǎn)單快速的制備多種鐵酸鹽,具有一定的普適性,所得材料電化學(xué)性能明顯優(yōu)于大部分已報(bào)道的研究工作。(2)通過第一部分的研究發(fā)現(xiàn)燃燒法制備的ZnFe2O4形貌、結(jié)構(gòu)和性能與其合成條件具有緊密的聯(lián)系。首先對(duì)前驅(qū)體的煅燒溫度進(jìn)行了探討,發(fā)現(xiàn)700℃煅燒所得材料的晶粒尺寸更小且不易團(tuán)聚,在充放電測(cè)試中表現(xiàn)最佳,因此700℃為適宜的煅燒溫度。之后結(jié)合理論燃燒比值,系統(tǒng)地研究了甘氨酸-硝酸鹽摩爾比例變化對(duì)ZnFe2O4相組成、結(jié)晶度、自蔓燃反應(yīng)過程、形貌、比表面積和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明隨著甘氨酸-硝酸鹽摩爾比例的增加,材料孔洞、比表面積和結(jié)晶度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,并且團(tuán)聚現(xiàn)象加劇。在較高甘氨酸用量的樣品中出現(xiàn)了 Fe2O3雜相,一定程度上影響了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。通過熱重-差熱分析發(fā)現(xiàn)甘氨酸-硝酸鹽摩爾比例為1.0的樣品自蔓燃反應(yīng)最充分,C、N元素殘留量最低。電流密度200mAg-1下此樣品首次放電能夠達(dá)到1485.0 mAh g-1,100次循環(huán)后可逆容量高達(dá)1217.7 mAh g-1,相比第二圈容量保持率為111.9%,在倍率測(cè)試中此樣品充放電性能仍是最好。綜上說明合適的甘氨酸-硝酸鹽比例可以有效改善ZnFe2O4負(fù)極材料的性能,在甘氨酸-硝酸鹽摩爾比為1.0時(shí),所獲得的純相ZnFe2O4具有出眾的電化學(xué)性能和均勻的形貌結(jié)構(gòu)。(3)首次通過燃燒法制備了四方晶型反尖晶石結(jié)構(gòu)的CuFe2O4鈉離子電池負(fù)極材料,并對(duì)其儲(chǔ)鈉電化學(xué)過程進(jìn)行了探討。煅燒溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,800℃制備的樣品不僅晶胞參數(shù)和晶粒尺寸最小,而且表面存在較多的細(xì)小顆粒,使其在儲(chǔ)鈉能力上具有一定的優(yōu)勢(shì),因此800℃為CuFe2O4較佳煅燒溫度。結(jié)合理論燃燒比例,選取不同檸檬酸-硝酸鹽比例進(jìn)行詳細(xì)的研究。結(jié)果顯示檸檬酸用量增加會(huì)導(dǎo)致材料顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇,同時(shí)自蔓燃反應(yīng)溫度也隨之升高。檸檬酸-硝酸鹽摩爾比為0.56的樣品表現(xiàn)出最好的循環(huán)穩(wěn)定性,在50mAg-1循環(huán)50圈時(shí),放電容量仍有311.8 mAh g-1,保持率為80.1%。倍率測(cè)試中,經(jīng)過2000 mA g-1循環(huán)10圈后,電流密度恢復(fù)到25 mA g-1時(shí)此樣品容量高達(dá)413.4 mAh g-1。優(yōu)秀的電化學(xué)性能得益于適宜的燃劑用所形成更好的形貌和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),交流阻抗測(cè)試發(fā)現(xiàn)相比其他樣品,其具有更高的電荷轉(zhuǎn)移能力和鈉離子擴(kuò)散系數(shù)以及較低的界面阻抗。綜上所述,選用檸檬酸-硝酸鹽摩爾比0.56可以制備出電化學(xué)性能優(yōu)良的CuFe2O4負(fù)極材料。
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM912

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4 劉元?jiǎng)?唐致遠(yuǎn);陳玉紅;徐強(qiáng);;商品化石墨作為聚合物鋰離子電池負(fù)極材料的性能表征[J];材料熱處理學(xué)報(bào);2007年02期

5 羅益鋒;碳纖維制的鋰電池負(fù)極材料[J];高科技纖維與應(yīng)用;1996年Z1期

6 池汝安;陳志偉;路莎莎;;負(fù)極材料四氧化三鈷的液相沉淀法制備及其性能[J];武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào);2014年04期

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8 趙敏;;一種可彎折電池負(fù)極材料及其制造方法[J];橡膠工業(yè);2009年09期

9 譚曉旭;唐誼平;曹華珍;鄭國(guó)渠;;三維負(fù)極材料二氧化鈦納米管陣列的研究進(jìn)展[J];電池;2011年06期

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1 辛星;姚霞銀;許曉雄;劉兆平;;高性能硅碳復(fù)合負(fù)極材料的研究[A];第29屆全國(guó)化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

2 宰建陶;陶立奇;錢雪峰;;具有多級(jí)微納結(jié)構(gòu)的石墨烯基鋰電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)合成[A];第十二屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

3 吳玉祥;;鋰電池之負(fù)極材料技術(shù)[A];推進(jìn)節(jié)能環(huán)保，，給力綠色崛起——海南省機(jī)械工程學(xué)會(huì)、海南省機(jī)械工業(yè)質(zhì)量管理協(xié)會(huì)2012年海南機(jī)械科技學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)特邀專題報(bào)告集[C];2012年

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5 楊軍;王可;文鐘晟;解晶瑩;劉宇;王保峰;;高容量二次鋰電池負(fù)極材料[A];2002年材料科學(xué)與工程新進(jìn)展（上）——2002年中國(guó)材料研討會(huì)論文集[C];2002年

6 楊揚(yáng);范少夫;陳橋;吳剛;;基于多面體低聚倍半硅氧烷的碳/硅復(fù)合負(fù)極材料[A];2012年全國(guó)高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（上冊(cè)）[C];2012年

7 唐好慶;唐致遠(yuǎn);;負(fù)極材料Li_2ZnTi_3O_8/C的制備及其電化學(xué)性能研究[A];第30屆全國(guó)化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2013年

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1 記者 李東周;鋰電負(fù)極材料開發(fā)亟須多樣化[N];中國(guó)化工報(bào);2012年

2 本報(bào)記者 錢卓　本報(bào)通訊員 張德杰 李培強(qiáng);平度將建全球最大鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)基地[N];青島日?qǐng)?bào);2010年

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4 錢卓　許偉軍;平度加快建全球最大鋰電池負(fù)極材料生產(chǎn)基地[N];青島日?qǐng)?bào);2011年

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6 徐海 明山 兆軍;低溫鎳-氫電池研制成功[N];科技日?qǐng)?bào);2001年

7 ;金屬貯氫/鎳電池用無鈷負(fù)極材料及制備方法[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2005年

8 黃正　首席記者 彭文輝;正拓新能源公司簽約投資我市鋰能產(chǎn)業(yè)[N];宜春日?qǐng)?bào);2011年

9 李玉峰;建北方最大再生資源綜合利用示范區(qū)[N];天津日?qǐng)?bào);2006年

10 記者解廣軍;北汽集團(tuán)投資雞西的鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料及石墨深加工項(xiàng)目奠基[N];雞西日?qǐng)?bào);2011年

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1 呂洪嶺;鋰離子電池用錫基、鐵基負(fù)極材料的制備及性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2014年

2 肖涵;過渡金屬氧化物負(fù)極材料及其儲(chǔ)鋰性能研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2015年

3 王偉;鈦氧化物作為鋰/鈉離子電池負(fù)極材料的基礎(chǔ)研究[D];北京科技大學(xué);2016年

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5 湯紅;鋰離子電池硅/rGO復(fù)合負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能[D];浙江大學(xué);2015年

6 沈飛;用于鈉離子電池的碳基負(fù)極材料研究[D];南京大學(xué);2016年

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1 盧斌;SnO_2/Cu/C復(fù)合負(fù)極材料的制備和嵌鋰特性研究[D];華南理工大學(xué);2015年

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10 顏世銀;鋰離子電池改性硅/石墨負(fù)極材料的性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

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