一維鐵酸鋅復(fù)合材料的制備、表征及其儲(chǔ)鋰性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-03-05 09:07
目前商用鋰離子電池的負(fù)極材料主要是導(dǎo)電性優(yōu)良、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳材料,但是碳材料的理論比容量較低,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人類的對(duì)便攜、高容量的儲(chǔ)能需求,因此大量的、理論容量高的負(fù)極材料,成為人們的研究對(duì)象。過渡金屬氧化物鐵酸鋅（Zn Fe2O4）的理論容量達(dá)到1072 mAh g-1,由于鋅和鐵的儲(chǔ)量豐富,制備過程對(duì)環(huán)境無污染,成本低廉等特點(diǎn),得到了人們廣泛關(guān)注。但是ZnFe2O4的導(dǎo)電性差、充放電過程中體積效應(yīng)嚴(yán)重的缺陷,導(dǎo)致材料的循環(huán)穩(wěn)定性低、容量衰減快、倍率性能差,限制了該材料的應(yīng)用。本文通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、包覆等手段,以提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,減小材料的體積效應(yīng),提高其導(dǎo)電性,增加其電化學(xué)活性位點(diǎn),減小材料的極化效應(yīng)使材料具有穩(wěn)定的充放電平臺(tái),提高Zn Fe2O4負(fù)極材料的綜合電化學(xué)性能。研究?jī)?nèi)容如下:（1）采用低溫原位生長(zhǎng)策略,可控制備了一維ZnO@ZnFe2O4復(fù)合納米線,并揭示了其生長(zhǎng)機(jī)制。...
【文章來源】：安徽工業(yè)大學(xué)安徽省
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池充放電原理示意圖
圖 1.2 鋰離子電池常見的正/負(fù)極材料[6]Fig. 1.2 Various cathode and anode materials for lithium ion battery1.2 鋰離子電池負(fù)極材料鋰離子電池的負(fù)極材料是鋰電池中作為儲(chǔ)能的關(guān)鍵組成部分，它很大程度上影響了電池的實(shí)際容量。如何選擇鋰離子電池的負(fù)極材料，什么樣的材料才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的選擇標(biāo)準(zhǔn)。[20, 21]常用的標(biāo)準(zhǔn)有：（1）當(dāng)充電時(shí)，電池負(fù)極嵌入鋰離子時(shí)，它具有足夠低的電位；反之，正極具有較高的電壓，使全電池具有較高輸出電壓。（2）大量的鋰離子能夠進(jìn)入負(fù)極材料，防止鋰離子在材料表面富集形成鋰枝晶，造成安全隱患，同時(shí)得到較高的比容量。（3 經(jīng)過鋰離子的反復(fù)脫嵌之后，電極材料的晶體結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定，進(jìn)而得到優(yōu)異的循環(huán)壽命性能。（4）負(fù)極材料需要傳輸電子，也需要傳輸離子，因此電子導(dǎo)電率和離子擴(kuò)撒率對(duì)負(fù)極材料至關(guān)重要。優(yōu)異的電子導(dǎo)電率和離子擴(kuò)散率能有效的減小極化，從而能適應(yīng)更大電流的循環(huán)充放電；（5）為使電池工作是擁有穩(wěn)定的工作電壓，負(fù)極材料充放電嵌脫鋰的時(shí)候，需要不受脫、嵌鋰影響的穩(wěn)定
直到 1992 年索尼公司，采用碳材料替代金屬鋰作為鋰電池的負(fù)極，成功的將鋰離子電池帶上了商業(yè)化的道路，并且一直沿用到今天。碳基材料根據(jù)它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為了石墨化碳和非石墨化碳，其中非石墨化碳又被分為了軟碳和硬碳。[22]石墨中的碳在 sp2的雜化軌道上會(huì)形成共價(jià)鍵，通過共價(jià)鍵的結(jié)合，他的結(jié)構(gòu)是片層狀的，層與層之間結(jié)合力屬于范德華力。[23]如圖 1.3 所示，負(fù)極材料的充放電過程中，鋰離子會(huì)嵌入石墨的層間的位置，形成層間的 LixC6化合物，因此其理論容量只有 372 mAh g-1。它的脫、嵌鋰的電位，大約在 0~0.25 V（vs Li+/Li）, 充放電平臺(tái)十分穩(wěn)定。[24]但是在鋰離子電池當(dāng)中，它作為負(fù)極材料還是存在著一系列問題。最主要的問題是石墨極易與電解液反應(yīng)，在其表面生成一層 SEI 膜，消耗了正極提供的鋰離子。這部分鋰離子是不可逆的，導(dǎo)致了該電池的首效較低。此外，在嵌鋰的過程中，其各向異性會(huì)致使其倍率性能大幅降低。與此同時(shí)，石墨的層間距比較大，其范德華力相對(duì)較弱，在充放電過程中，脫嵌鋰時(shí)其層結(jié)構(gòu)容易發(fā)生溶劑共嵌入的情況，這將導(dǎo)致材料的脫落，使電池的循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。針對(duì)上述的各種問題，通常通過包覆、參雜等方法，對(duì)其性能改進(jìn)。[25]
本文編號(hào)：3064944
【文章來源】：安徽工業(yè)大學(xué)安徽省
【文章頁數(shù)】：117 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
鋰離子電池充放電原理示意圖
圖 1.2 鋰離子電池常見的正/負(fù)極材料[6]Fig. 1.2 Various cathode and anode materials for lithium ion battery1.2 鋰離子電池負(fù)極材料鋰離子電池的負(fù)極材料是鋰電池中作為儲(chǔ)能的關(guān)鍵組成部分，它很大程度上影響了電池的實(shí)際容量。如何選擇鋰離子電池的負(fù)極材料，什么樣的材料才能達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的選擇標(biāo)準(zhǔn)。[20, 21]常用的標(biāo)準(zhǔn)有：（1）當(dāng)充電時(shí)，電池負(fù)極嵌入鋰離子時(shí)，它具有足夠低的電位；反之，正極具有較高的電壓，使全電池具有較高輸出電壓。（2）大量的鋰離子能夠進(jìn)入負(fù)極材料，防止鋰離子在材料表面富集形成鋰枝晶，造成安全隱患，同時(shí)得到較高的比容量。（3 經(jīng)過鋰離子的反復(fù)脫嵌之后，電極材料的晶體結(jié)構(gòu)能夠保持穩(wěn)定，進(jìn)而得到優(yōu)異的循環(huán)壽命性能。（4）負(fù)極材料需要傳輸電子，也需要傳輸離子，因此電子導(dǎo)電率和離子擴(kuò)撒率對(duì)負(fù)極材料至關(guān)重要。優(yōu)異的電子導(dǎo)電率和離子擴(kuò)散率能有效的減小極化，從而能適應(yīng)更大電流的循環(huán)充放電；（5）為使電池工作是擁有穩(wěn)定的工作電壓，負(fù)極材料充放電嵌脫鋰的時(shí)候，需要不受脫、嵌鋰影響的穩(wěn)定
直到 1992 年索尼公司，采用碳材料替代金屬鋰作為鋰電池的負(fù)極，成功的將鋰離子電池帶上了商業(yè)化的道路，并且一直沿用到今天。碳基材料根據(jù)它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為了石墨化碳和非石墨化碳，其中非石墨化碳又被分為了軟碳和硬碳。[22]石墨中的碳在 sp2的雜化軌道上會(huì)形成共價(jià)鍵，通過共價(jià)鍵的結(jié)合，他的結(jié)構(gòu)是片層狀的，層與層之間結(jié)合力屬于范德華力。[23]如圖 1.3 所示，負(fù)極材料的充放電過程中，鋰離子會(huì)嵌入石墨的層間的位置，形成層間的 LixC6化合物，因此其理論容量只有 372 mAh g-1。它的脫、嵌鋰的電位，大約在 0~0.25 V（vs Li+/Li）, 充放電平臺(tái)十分穩(wěn)定。[24]但是在鋰離子電池當(dāng)中，它作為負(fù)極材料還是存在著一系列問題。最主要的問題是石墨極易與電解液反應(yīng)，在其表面生成一層 SEI 膜，消耗了正極提供的鋰離子。這部分鋰離子是不可逆的，導(dǎo)致了該電池的首效較低。此外，在嵌鋰的過程中，其各向異性會(huì)致使其倍率性能大幅降低。與此同時(shí)，石墨的層間距比較大，其范德華力相對(duì)較弱，在充放電過程中，脫嵌鋰時(shí)其層結(jié)構(gòu)容易發(fā)生溶劑共嵌入的情況，這將導(dǎo)致材料的脫落，使電池的循環(huán)穩(wěn)定性受到影響。針對(duì)上述的各種問題，通常通過包覆、參雜等方法，對(duì)其性能改進(jìn)。[25]
本文編號(hào)：3064944
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