【摘要】：目前鋰離子電池在電子設(shè)備和電動(dòng)汽車方面占據(jù)著十分重要的地位,為了突破傳統(tǒng)商業(yè)化負(fù)極材料較低的理論容量對(duì)鋰離子電池性能的限制,儲(chǔ)能器件對(duì)高倍率和長(zhǎng)循環(huán)壽命的新型鋰離子電池負(fù)極材料提出了更高的要求。過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極材料由于能夠發(fā)生多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)以提供較高的容量,而受到越來(lái)越多的關(guān)注。相對(duì)于二元過(guò)渡金屬氧化物,三元過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極材料中的兩種金屬在電化學(xué)過(guò)程中具有界面和協(xié)同效應(yīng),在一定程度上表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性。但三元過(guò)渡金屬氧化物的電化學(xué)性能仍然受到其較低的電子電導(dǎo)率和較大的體積膨脹的制約。納米技術(shù)和納米材料的出現(xiàn)對(duì)這一問(wèn)題提供了一種有效的優(yōu)化途徑,極大地推動(dòng)了高功率和高能量密度的能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化器件的發(fā)展。針對(duì)過(guò)渡金屬釩氧化物體積膨脹嚴(yán)重、電子電導(dǎo)率低的問(wèn)題,本文提出了兩種納米結(jié)構(gòu)合成方法制備了三元過(guò)渡金屬釩氧化物納米材料并作為鋰離子電池負(fù)極材料,探索了合成條件對(duì)材料晶體結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:(1)采用簡(jiǎn)易的液相法制備了比表面積高達(dá)43.8 m~2/g的納米片組成的Zn_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O微米花。XRD和SEM結(jié)果表明,基于奧斯特瓦爾德熟化機(jī)制,乙二醇的加入很好地限制了晶體成核生長(zhǎng)速率,提高了材料的結(jié)晶度。在鋰離子電池中,Zn_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O微米花負(fù)極材料表現(xiàn)出良好的電化學(xué)活性:在200 mA/g的電流密度下循環(huán)120圈后,容量仍可以保持為1287 mAh/g;在5 A/g的電流密度下容量可以達(dá)到501 mAh/g,表現(xiàn)出良好的倍率性能;在10 A/g的電流密度下循環(huán)400圈后,容量保持為272 mAh/g。這些結(jié)果表明高結(jié)晶度和納米片結(jié)構(gòu)有利于Zn_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O負(fù)極材料電化學(xué)性能的提高。通過(guò)XPS和XRD,我們研究了Zn_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O的嵌脫鋰機(jī)制,包括嵌入、合金化、轉(zhuǎn)化三種反應(yīng)機(jī)制。電極材料經(jīng)循環(huán)后,納米片轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米顆粒,而有利于鋰離子的傳輸,提供了豐富的活性位點(diǎn)。(2)通過(guò)水熱法結(jié)合固相燒結(jié)合成了無(wú)定型釩酸鐵負(fù)極材料。過(guò)渡金屬離子吸附到氧化石墨烯的含氧官能團(tuán)上成核生長(zhǎng),水熱生成超小的釩酸鐵前驅(qū)體納米顆粒。氧化石墨烯有效地降低了合成過(guò)程中納米材料的表面能。前驅(qū)體在空氣氣氛中燒結(jié)除去石墨烯后得到無(wú)定型釩酸鐵納米顆粒,其尺寸為40-50納米。這種無(wú)定型釩酸鐵納米顆粒在5 A/g的電流密度下循環(huán)1600圈后,容量高達(dá)483mAh/g。更重要的是,其首圈庫(kù)倫效率可以達(dá)到83%。這主要?dú)w因于這種方法合成的釩酸鐵表面缺陷少,減少了不可逆的副反應(yīng)。
【圖文】：

的質(zhì)量能量密度和體積能量密度的對(duì)比圖電池，鋰離子電池，聚合物電池，鋰金屬種新型的能源轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)器件，可以實(shí)現(xiàn)電離子電池于上世紀(jì) 90 年代在日本研制成功極為碳，之后索尼公司實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的池以其較高的能量和功率密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)域占據(jù)了大量的市場(chǎng)份額。2017 年 3 月，電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案”，提出到 2020 年 Wh/kg，到 2025 年超過(guò) 500 Wh/kg 的發(fā)展料的平均比能量只有 115Wh/kg，遠(yuǎn)達(dá)不容量和電壓平臺(tái)決定的，，鋰離子電池的能臺(tái)有關(guān)。因此要提高電池的能量密度，需要，同時(shí)匹配正負(fù)極以提高電池開(kāi)路電壓。子電池的構(gòu)造和工作原理。鋰離子電池的

離子電池的物理構(gòu)造和原理，（b）電池工化曲線，左圖為充電過(guò)程，右圖為放電過(guò)電池內(nèi)部都是由一定數(shù)量的電芯組成。根電芯形成模組，加上控制電路系統(tǒng)、熱管理電池包。圖 1-3 顯示了三種典型的商業(yè)化組裝工藝和形狀，分為圓柱形電芯，方形電芯池就由七千余節(jié) 18650 型圓柱狀電芯組成毫米，長(zhǎng)度為 65 毫米的圓柱型電芯。為提高成組費(fèi)用，目前工業(yè)界正在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)更形電芯能夠根據(jù)不同的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)成不同的應(yīng)用環(huán)境。軟包電芯，又可以稱為聚合上，具有較好的安全性，不會(huì)像金屬外殼電具有更小的內(nèi)阻和更高的容量，因此也逐
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM912;TB383.1

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本文編號(hào)：2674532