伴隨快速發(fā)展的經(jīng)濟,我國能源事業(yè),特別是新能源事業(yè)也得到了迅猛發(fā)展,從智能手機到電動汽車,智能電網(wǎng)等各個領域都蒸蒸日上。這使得新能源存儲技術(shù)成為科學技術(shù)發(fā)展的熱點,而在這些能源存儲技術(shù)中對鋰/鈉離子電池的研究和開發(fā)更是當前新能源器件和新材料領域的工作重點。本論文以鋰/鈉離子電池負極材料為研究對象,針對高容量轉(zhuǎn)化—合金型負極材料在實驗研究和實際生產(chǎn)應用中存在循環(huán)穩(wěn)定性差、首圈庫倫效率低等突出問題,通過設計特殊結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì)—金屬（金屬化合物）—碳復合材料,制備了無定型錫硫化物-Sb2S3-石墨烯三元復合（Sn@Sb2S3-rGO）鈉離子電池負極材料、商業(yè)SrnO2-Co-C三元復合（N-c-SCC）鋰離子電池負極材料、納米Sn02-Co-C三元復合（N-u-SCC）鋰離子電池負極材料。三種負極材料在電化學性能穩(wěn)定性和庫倫效率等方面都表現(xiàn)出極大的提升。本論文的研究工作對鋰/鈉離子電池新型負極材料的實際應用提供了新的設計思路與理論、實驗支持。具體結(jié)果如下:（1）利用氧化石墨烯與金屬離子靜電吸附而結(jié)合的特點將其用作碳模板,研究發(fā)現(xiàn)水熱過程中Sb3+和Sn2+之間的協(xié)同抑制效應使得合成的金屬硫化物顆粒粒徑更小,更有利于鈉離子的傳輸且脫嵌鈉時有更小的應力;同時石墨烯優(yōu)異的導電性和力學性能有助于提高Sb2S3的導電性、緩解Sb2S3在脫嵌鈉過程中的體積變化并提供體積變化空間:雙硫化物中未結(jié)晶的錫硫化物在充放電過程中對復合材料起到很好的屏障作用,不僅可以防止Sb2S3顆粒團聚還能有效緩解其體積膨脹,從而得到該Sn@Sb2S3-rGO三元復合負極材料。作為鈉離子電池負極時,Sn@Sb2S3-rGO電極在200 mA g-1的電流密度下循環(huán)60圈比容量仍在600.0 mAh g-1,相較于第二圈的容量保持率為82.3%;在5 A g-1的大電流下比容量可達360.0 mAh g-1,并且首圈庫倫效率（ICE）提升明顯至69.8%。（2）ZIF-67材料具有比表面積大、粒徑可調(diào)、可原位轉(zhuǎn)化為碳和金屬鈷等諸多優(yōu)點,因而可作為良好的犧牲模板,采用商業(yè)SnO2與ZIF-67在液相中進行復合,再通過調(diào)控鍛燒條件使ZIF-67高溫分解原位得到鉆金屬和摻氮的碳框架,從而得到商業(yè)SnO2-Co-C三元復合（N-c-SCC）鋰離子電池負極材料。其中Co的主要作用與上述未結(jié)晶的錫硫化物類似,為抑制主體材料體積變化和顆粒團聚的強力屏障,增大脫嵌鋰過程中Sn和Li2O的接觸面積,增加導電性不參與電化學反應;摻N碳的主要作用為增加導電性、提供體積變化空間、緩解體積膨脹,進而延長電極使用壽命。N-c-SCC負極材料表現(xiàn)出改善的性能穩(wěn)定性和ICE,證實了ZIF-67用作犧牲模板的可行性。（3）在N-c-SCC負極材料的基礎之上,進一步用合成納米SnO2替代商業(yè)Sn02,得到納米Sn02-Co-C三元復合（N-u-SCC）鋰離子電池負極材料。其中N-u-SCC-2電極的ICE高達82.3%,遠高于合成納米Sn02電極的61.4%和N-c-SCC-1電極的75.0%;N-u-SCC-2電極因其特殊的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。包括極高的ICE—82.3%,大的比容量和循環(huán)性能—200 mA g-1電流密度下循環(huán)100次容量保持在975.0 mAh g-1,超長的循環(huán)壽命—500 mA g-1電流密度下循環(huán)450次容量保持在760.0 mAh g-1和優(yōu)異的倍率性能。本文通過選取了機理相似的一種鈉離子電池負極材料—Sb2S3和一種鋰離子電池負極材料—Sn02,并分別進行碳包覆、雙金屬復合和納米化改性研究,實驗結(jié)果證明結(jié)合碳包覆、雙金屬復合和納米化三種方法對于改性高容量轉(zhuǎn)化—合金型鋰/鈉離子電池負極材料電化學性能效果顯著,為研究轉(zhuǎn)化—合金型鋰/鈉離子電池負極材料提供一種新的研究思路。 

 

廈門大學福建省211工程院校985工程院校教育部直屬院校

 

頁數(shù)：79

 

【學位級別】：碩士

 

文章目錄

摘要

Abstract

第一章 緒論

    1.1 鋰(鈉)離子電池概述

        1.1.1 引言

        1.1.2 鋰(鈉)離子電池的工作原理

        1.1.3 鋰離子電池與鈉離子電池的區(qū)別

    1.2 鋰(鈉)離子電池負極材料

        1.2.1 鋰離子電池負極材料

        1.2.2 SnO_2鋰離子電池負極材料及研究進展

        1.2.3 鈉離子電池負極材料

        1.2.4 Sb2S_3鈉離子電池負極材料及研究進展

    1.3 提出問題以及本文主要研究內(nèi)容

第二章 實驗過程及研究方法

    2.1 實驗藥品及樣品制備

        2.1.1 Sb_2S_3及其復合材料制備原料

        2.1.2 Sb_2S_3及其復合材料制備方法

        2.1.3 SnO_2及其復合材料制備原料

        2.1.4 SnO_2及其復合材料制備方法

    2.2 電極制作及電池組裝

        2.2.1 Sb_2S_3及其復合材料電極制作和電池組裝

        2.2.2 SnO_2及其復合材料電極制作和電池組裝

    2.3 電池電化學性能測試

    2.4 材料和電極的結(jié)構(gòu)與形貌表征

第三章 Sb_2S_3及其石墨烯復合材料制備及儲鈉性能研究

    3.1 引言

    3.2 Sb_2S_3及其石墨烯復合材料制備及儲鈉性能研究

        3.2.1 Sb_2S_3及其石墨烯復合材料的制備

        3.2.2 Sb_2S_3及其石墨烯復合材料的表征

        3.2.3 Sb_2S_3及其石墨烯復合材料的鈉電性能研究

    3.3 本章小結(jié)

第四章 SnO_2及其ZIF-67復合材料制備及儲鋰性能研究

    4.1 引言

    4.2 N-c-SCC復合材料制備及儲鋰性能研究

        4.2.1 N-c-SCC復合材料的制備

        4.2.2 N-c-SCC復合材料的表征

        4.2.3 N-c-SCC復合材料的鋰電性能研究

        4.2.4 小結(jié)

    4.3 合成納米SnO_2及N-u-SCC復合材料制備及儲鋰性能研究

        4.3.1 合成納米SnO_2及N-u-SCC復合材料的制備

        4.3.2 合成納米SnO_2及N-u-SCC復合材料的表征

        4.3.3 合成納米SnO_2及N-u-SCC復合材料的鋰電性能研究

        4.3.4 小結(jié)

    4.4 ZIF-67前驅(qū)模板復合鎳鈷錳811正極材料制備及其儲鋰性能研究

        4.4.1 引言

        4.4.2 ZIF-67前驅(qū)模板復合鎳鈷錳811正極材料制備

        4.4.3 ZIF-67前驅(qū)模板復合鎳鈷錳811正極材料儲鋰性能研究

        4.4.4 小結(jié)

    4.5 本章小結(jié)

第五章 結(jié)論與展望

    5.1 結(jié)論

    5.2 對未來研究工作的展望

參考文獻

致謝

攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文與取得的其他

 

期刊論文

 

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