本文選題：介孔/中空結構材料 + 鋰離子電池　； 參考：《浙江大學》2017年博士論文

【摘要】：環(huán)境的嚴重污染及化石燃料的過度消耗已成為制約當今社會可持續(xù)發(fā)展的兩個重大問題,發(fā)展新型能源新技術是解決上述問題的有效途徑,已經(jīng)成為當今產學研熱點研究課題。著眼于提升鋰離子電池、超級電容器、電催化分解水等代表性新能源器件性能,研發(fā)能夠實現(xiàn)電能與化學能的高效儲存與轉化的新型電極材料是儲能新材料研發(fā)的核心和關鍵。電化學過程是決定上述儲能器件及其關鍵電極材料性能的重要因素,電催化分解水將電能轉化為化學能,而鋰離子電池、超級電容器則可以實現(xiàn)電能與化學能的可逆儲能與循環(huán)放能。剖析上述儲能器件的電化學過程差異,根據(jù)電化學儲能性能提升對其電極材料微觀結構特性的不同要求,開展基于電化學儲能過程與電化學儲能機制的電極材料研究,是高性能儲能器件研發(fā)的關鍵,具有重要的科學意義和工程應用價值�；谥锌战Y構的介孔電極材料,由于其獨特的材料微觀結構優(yōu)勢,如微米及亞微米尺度的中空結構可以緩解電極材料循環(huán)使用過程的體積膨脹帶來的材料與器件性能劣化問題,介孔結構具有的高比表面積及孔道結構能夠增加電化學反應活性位點、提供快速高效的傳質通道等,成為新能源器件電極材料研究的一個熱點方向。目前,如何做到中空結構、介孔結構的可控設計與合成,特別是獲得綜合性能提升的中空結構與介孔結構的協(xié)同匹配,是目前尚未從材料制備技術、以及材料結構與性能關聯(lián)規(guī)律科學問題研究角度解決的一個關鍵問題。本論文首先發(fā)展了一種可以制備與調控電極材料總的孔隙率,以及亞微米中空的孔隙率、介孔結構的孔隙率等的制備方法,獲得了鋰離子電池的循環(huán)性能與倍率性能顯著提升的結果。在此基礎上,針對鋰離子電池,超級電容器以及電催化分解水這三種不同電化學過程的儲能器件關鍵性能提升需求,發(fā)展了紡錘體狀介孔中空結構C/Ni/Ti02復合電極材料、具有組份可調的多孔中空Ni-Co雙金屬硫化物納米盒電極材料、一維納米線結構單元自組裝而成的分等級介孔中空NiCo2O4四方微柱電極材料的制備方法,通過對上述電極材料的中空結構、介孔結構以及活性成分等參數(shù)的調控,均獲得了電化學儲能及催化性能的顯著提升的效果,可望在能源存儲和轉換領域獲得應用。主要研究內容及成果如下:(1)基于電極材料活性組分的形態(tài)學工程調控制備技術,發(fā)展了一種將納米尺度活性組分顆粒組裝為微米/亞微米尺度中空結構、進而通過調控中空結構的孔隙率實現(xiàn)對電極材料孔隙率有效調控的新方法。這種新方法較為容易地實現(xiàn)電極材料孔隙率的事先設計與可控制備,有望取代傳統(tǒng)通過漿料涂覆過程造孔的方法。以TiO2為例,我們首先通過溶劑熱法合成CaTiO3微米實心立方塊,用作合成TiO2微米中空盒的自犧牲模板。然后通過Na2EDTA的輔助使之發(fā)生離子交換反應,成功制備了TiO2微米中空盒。此中空盒的盒壁由活性組分納米TiO2顆粒堆積而成,具有介孔堆積結構。研究獲得了調控TiO2微米中空盒的壁厚、活性組分納米TiO2顆粒堆積介孔結構的制備工藝參數(shù),驗證了事先設計與可控制備電極材料孔隙率的材料制備概念及其實現(xiàn)技術途徑。(2)發(fā)展了一種簡易的制備紡錘體狀介孔中空結構C/Ni/TiO2復合電極材料的方法。首先采用沉淀法制備了形貌均一的紡錘體狀NiTiO3前驅體;然后將其用作自犧牲模板,通過在管式爐中與NH4H2PO4分區(qū)堆放、進行共熱處理的還原過程,制備了形貌均一的紡錘體狀介孔中空C/Ni/TiO2電極材料,并可同時實現(xiàn)氮的摻雜。研究發(fā)現(xiàn),這種氮摻雜的介孔中空C/Ni/TiO2材料結構,不僅具有良好導電性,而且提供了大量的鋰離子嵌入位點,從而實現(xiàn)了良好的儲鋰性能。(3)發(fā)展了一種通過自犧牲模板法合成具有組份可調的介孔中空Ni-Co雙金屬硫化物納米盒的方法。首先經(jīng)液相法先沉淀后還原工藝制備了Cu2O納米立方塊;然后將其用作自犧牲模板配置乙醇水溶液,然后通過滴定Na2S2O3使之發(fā)生離子交換反應,成功制備了 Ni-Co前驅體微米中空盒:隨著Na2S2O3溶液不斷加入,Cu2O不斷被腐蝕,OH-不斷產生;同時發(fā)生了事先添加的Ni2+、Co2+和產生的OH-反應形成具有空殼結構的Ni-Co前驅體的反應,由于亞銅離子的向外擴散的速度要大于OH-向內擴散的速度,因此形成了中空結構。最后,采用硫脲作為硫源,經(jīng)硫化合成了具有介孔中空結構的NiCo2S4和Ni2CoS4亞微米盒。研究發(fā)現(xiàn),將其用作超級電容器電極材料時表現(xiàn)出良好的性能。(4)發(fā)展了 一種通過自犧牲模板法合成由一維納米線結構單元自組裝成的分級介孔中空NiCo2O4四方微柱,該NiCo2O4四方微柱作為雙功能電催化劑用于全分解水的析氧反應和析氫反應。這種新穎的分級介孔中空NiCo2O4四方微柱在全分解水中表現(xiàn)出極好的催化活性和穩(wěn)定性。在電流密度為10mAcm-2時,在兩電極間的應用電壓為1.65V;而在電流密度為20mAcm-2時,為1.74V。此外,通過與NiCo2O4微米花結構的性能對比測試研究,證實了這種新穎的分級介孔中空NiCo2O4四方微柱結構在顯著提升全分解水性能的方面的重要作用,有望成為具有優(yōu)異電催化全分解水性能的優(yōu)選電極材料新結構。
[Abstract]:In order to improve the performance of new energy storage devices , a new type of electrode material has been developed . A simple method for preparing hollow C / Ni / TiO2 composite electrode material with mesoporous hollow structure by self - sacrifice template has been developed .

【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.4;O646

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 黃學杰;;鋰離子電池及相關材料進展[J];中國材料進展;2010年08期

相關碩士學位論文 前1條

1 王偉;過渡金屬氧化物鋰離子電池負極材料的制備和電化學性能研究[D];華東師范大學;2014年

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本文編號：1815068