本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池負(fù)極材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及電化學(xué)性能研究

  更多相關(guān)文章： 鋰離子電池 納米材料 雜化材料 多孔結(jié)構(gòu)

【摘要】：近年來,隨著電動(dòng)汽車,混合動(dòng)力汽車,通訊器材等的迅速發(fā)展,消費(fèi)者對具有高容量,長壽命,高穩(wěn)定性,高功率密度的鋰離子電池的需求日益增加。鋰離子電池的主要構(gòu)成部件為電極,電極材料是決定電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。目前,商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料為石墨,其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)成本低,循環(huán)性能好。但是,石墨的理論容量只有372 mAh g-1,遠(yuǎn)不能滿足人們對高性能儲(chǔ)能器件的需求。因此,開發(fā)出新一代高性能電極材料對鋰離子電池性能的提升具有非常重要的意義。本論文我們主要從結(jié)構(gòu)和組成上對材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控,合成出具有不同組分的納米材料或者雜化材料。與體相材料相比,納米級(jí)的電極材料具有較小的尺寸,較大的比表面積和較高的反應(yīng)活性,因此在存儲(chǔ)鋰過程中能夠縮短鋰離子和電子的傳輸距離,增加電極和電解液的接觸面積,加快電解液的擴(kuò)散速率,同時(shí)能夠吸附和儲(chǔ)存大量的鋰離子。其次,制備雜化電極材料,比如單質(zhì)或者金屬氧化物和碳基材料的結(jié)合,可以充分發(fā)揮雜化材料中各組分的優(yōu)勢,利用二者的協(xié)同作用使材料展現(xiàn)出較高的性能。具體研究內(nèi)容如下:1.采用不同的策略,設(shè)計(jì)和合成了三種不同組成的Ge基雜化納米材料。運(yùn)用水熱法和后煅燒處理,以綠色的葡萄糖和低成本的鍺酸鈉為原料,制備出C/Ge納米球。所得材料能夠在少量Ge存在下,獲得高于545.1 mAh g-1的容量;運(yùn)用快速冷凍干燥結(jié)合熱處理法,以F127為碳源,制備出分級(jí)孔C/Ge材料。通過調(diào)節(jié)原料中GeO2的用量,可以得到不同碳含量的C/Ge。所得材料與體相Ge相比,在循環(huán)容量和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢;運(yùn)用溶解熱-熱處理法合成出Ge@C-N分級(jí)孔雜化材料。該材料中Ge納米顆粒被N摻雜的碳網(wǎng)絡(luò)包覆,并且分布在三維N摻雜的碳網(wǎng)絡(luò)中,其中Ge與C-N材料之間通過Ge-N鍵緊密連接。當(dāng)做為負(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池中時(shí),在電流密度為100 mA g-1和500 mA g-1,循環(huán)90次后,容量仍能分別穩(wěn)定在1240.3 mAh g-1和813.4 mAh g-1。2.利用過渡金屬氧化物的諸多優(yōu)勢,采用低成本的制備方法,設(shè)計(jì)和合成了一系列多孔以及和碳基材料結(jié)合的雜化材料。包括多孔尖晶石基分級(jí)結(jié)構(gòu):介孔Co3O4納米棒束,介孔Co1.71Ni1.29O4納米花和納米棒以及納米顆粒,大孔NiCo2O4片;將過渡金屬氧化物和碳材料進(jìn)行雜化,包括MnO/C-N,MnO/C,TiO2/C-N,P25/GR,ZnO-Co/C-N等。其中Co3O4納米棒束在電流密度為100 mA g-1,循環(huán)60次后,容量高達(dá)1667.6 mAh g-1,在電流密度為1000 mA g-1和5000 mA g-1下循環(huán)100次,容量分別可達(dá)到1264.8和603.0 mAh g-1;對不同形貌的介孔Co1.71Ni1.29O4和大孔NiCo2O4,我們也初步探索了其儲(chǔ)鋰性能。這兩種材料在電流密度為100 mA g-1下,循環(huán)容量均能達(dá)到1000 mAh g-1以上,在鋰離子電池中展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用;運(yùn)用簡單溶劑熱-后煅燒處理制備的MnO/C-N雜化材料中,Mn與N之間的鍵合作用,促使MnO納米顆粒與N摻雜的碳之間有著緊密的結(jié)合。Mn-N的存在對MnO/C-N電極的高性能起著重要的作用。所得電極在5000 mA g-1循環(huán)400次后,容量仍高達(dá)907.8 mAh g-1;采用冷凍干燥-煅燒法得到的MnO/C片在5000 mA g-1,循環(huán)2000次后,容量仍高達(dá)1467.0 mAh g-1。相關(guān)表征證明了Mn與C之間相互作用的存在,以及在電化學(xué)反應(yīng)過程中動(dòng)力學(xué)的增強(qiáng)和重組機(jī)理的存在,這些因素使所合成材料展現(xiàn)出了優(yōu)越的性能;溶劑熱-煅燒法制備的無定形TiO2/C-N,在500°C的煅燒溫度下,既保證了TiO2的無定形態(tài)也成功實(shí)現(xiàn)了氮的摻雜,所得材料在倍率為1 C時(shí),循環(huán)100次后,容量高達(dá)290.0 mAh g-1;運(yùn)用靜電相互作用,將P25和氧化石墨機(jī)械混合,經(jīng)溶劑熱處理后得到了P25/石墨烯(GR)雜化材料,用作鋰離子電池負(fù)極,展現(xiàn)出了可觀的電化學(xué)性能;采用金屬有機(jī)框架(MOF)為前驅(qū)體,通過真空煅燒處理得到了ZnO-Co/C-N介孔納米球,與商業(yè)ZnO相比,所得雜化材料展現(xiàn)出了更高的容量和穩(wěn)定性。3.采用簡單、巧妙的策略,設(shè)計(jì)合成了碳化物納米材料,并研究了材料的儲(chǔ)鋰性能和儲(chǔ)鋰機(jī)制。我們選用磷鉬酸和F127為原料,制備出分級(jí)孔Mo2C-C雜化材料,所得Mo2C納米顆粒粒徑在4 7 nm,與C結(jié)合在一起形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用作鋰離子電池材料,在100 mA g-1電流密度下,100次循環(huán)后,容量可達(dá)到1196.8 mAh g-1。另外,首次報(bào)道并合成了多孔核殼結(jié)構(gòu)三元金屬碳化物Co3ZnC/N-C納米球。采用多種測試手段,對材料進(jìn)行了組成和形貌表征。將所得到的材料作為負(fù)極材料,研究了其儲(chǔ)鋰性能,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算研究了其儲(chǔ)鋰機(jī)制。這些工作為其它納米碳化物的合成和應(yīng)用提供了新的思路。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 納米材料 雜化材料 多孔結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM912;O646
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-29
• 1.1 鋰離子電池概述14-16
• 1.2 鋰離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展16-26
• 1.3 本論文的選題思路和主要研究內(nèi)容26-29
• 第二章 Ge基負(fù)極納米材料的合成和性能研究29-56
• 2.1 引言29-30
• 2.2 C/Ge納米球的合成及儲(chǔ)鋰性能研究30-37
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)部分30-31
• 2.2.2 C/Ge納米球的結(jié)構(gòu)表征31-35
• 2.2.3 C/Ge納米球的儲(chǔ)鋰性能研究35-37
• 2.2.4 小結(jié)37
• 2.3 分級(jí)孔C/Ge材料的冷凍干燥法合成及儲(chǔ)鋰性能研究37-45
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)部分37-38
• 2.3.2 分級(jí)孔C/Ge材料的結(jié)構(gòu)表征38-42
• 2.3.3 分級(jí)孔C/Ge材料的儲(chǔ)鋰性能研究42-45
• 2.3.4 小結(jié)45
• 2.4 Ge@C-N雜化納米材料的合成及儲(chǔ)鋰性能研究45-56
• 2.4.1 實(shí)驗(yàn)部分45-46
• 2.4.2 Ge@C-N的結(jié)構(gòu)表征46-50
• 2.4.3 Ge@C-N的電化學(xué)性能表征50-54
• 2.4.4 小結(jié)54-56
• 第三章 多孔Co，，Ni基尖晶石納米材料的設(shè)計(jì)合成和性能研究56-78
• 3.1 引言56-57
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分57-58
• 3.2.1 介孔Co_3O_4分級(jí)納米棒束的合成57
• 3.2.2 介孔Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4分級(jí)結(jié)構(gòu)的合成57
• 3.2.3 大孔NiCo_2O_4納米片的合成57
• 3.2.4 材料的表征方法57-58
• 3.3 介孔Co_3O_4分級(jí)納米棒束的結(jié)構(gòu)表征及儲(chǔ)鋰性能研究58-66
• 3.4 介孔Co_(1.29)Ni_(1.71)O_4分級(jí)材料的結(jié)構(gòu)表征及儲(chǔ)鋰性能探索66-73
• 3.5 大孔NiCo_2O_4納米片的結(jié)構(gòu)表征及儲(chǔ)鋰性能探索73-77
• 3.6 本章小結(jié)77-78
• 第四章 MnO基高容量長壽命電極材料的制備和儲(chǔ)鋰性能研究78-97
• 4.1 引言78-79
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法79-80
• 4.2.1 MnO/C-N雜化材料的制備79
• 4.2.2 MnO/C片的制備79
• 4.2.3 材料的表征方法79-80
• 4.3 MnO/C-N雜化材料的結(jié)構(gòu)表征80-83
• 4.4 MnO/C-N雜化材料的電化學(xué)性能表征和儲(chǔ)鋰機(jī)制研究83-88
• 4.5 MnO/C片的結(jié)構(gòu)表征88-91
• 4.6 MnO/C片的電化學(xué)性能表征和儲(chǔ)鋰機(jī)制研究91-96
• 4.7 本章小結(jié)96-97
• 第五章 TiO_2基負(fù)極納米材料的制備和儲(chǔ)鋰性能研究97-112
• 5.1 引言97-98
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分98-99
• 5.2.1 無定形TiO_2/C-N負(fù)極材料的合成98
• 5.2.2 P25/石墨烯納米材料的合成98
• 5.2.3 材料的表征方法98-99
• 5.3 無定形TiO_2/C-N負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)表征99-103
• 5.4 無定形TiO_2/C-N負(fù)極材料的電化學(xué)性能表征103-105
• 5.5 P25/石墨烯納米材料的結(jié)構(gòu)表征105-109
• 5.6 P25/石墨烯納米材料的電化學(xué)性能表征109-111
• 5.7 本章小結(jié)111-112
• 第六章 ZnO-Co/C-N介孔球的構(gòu)筑合成和儲(chǔ)鋰性能研究112-122
• 6.1 引言112-113
• 6.2 實(shí)驗(yàn)方法113-114
• 6.2.1 ZnO-Co/C-N介孔納米球的合成113
• 6.2.2 ZnO-Co/C-N介孔納米球的表征方法113-114
• 6.3 材料的結(jié)構(gòu)表征114-117
• 6.4 材料的電化學(xué)性能研究117-121
• 6.5 本章小結(jié)121-122
• 第七章 過渡金屬碳化物的設(shè)計(jì)合成和儲(chǔ)鋰性能探討122-145
• 7.1 引言122-123
• 7.2 分級(jí)孔Mo_2C-C的設(shè)計(jì)合成和儲(chǔ)鋰性能及機(jī)理研究123-131
• 7.2.1 分級(jí)孔Mo_2C-C雜化材料的制備123
• 7.2.2 材料的物理性能表征123-124
• 7.2.3 分級(jí)孔Mo_2C-C的結(jié)構(gòu)表征124-127
• 7.2.4 分級(jí)孔Mo_2C-C的電化學(xué)性能表征和機(jī)理研究127-131
• 7.2.5 小結(jié)131
• 7.3 核殼結(jié)構(gòu)Co_3ZnC/C-N納米球的設(shè)計(jì)合成和儲(chǔ)鋰性能探討131-145
• 7.3.1 Co_3ZnC/C-N納米球的合成131
• 7.3.2 Co_3ZnC/C-N納米球的表征方法131-132
• 7.3.3 Co_3ZnC/C-N納米球的結(jié)構(gòu)表征132-138
• 7.3.4 Co_3ZnC/C-N納米球的電化學(xué)性能研究和儲(chǔ)鋰機(jī)理探討138-144
• 7.3.5 小結(jié)144-145
• 參考文獻(xiàn)145-164
• 結(jié)論與展望164-166
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單166-169
• 致謝169-170
• 作者簡介170

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陳克城;;雜化材料與雜化技術(shù)[J];今日科技;1989年03期

2 李旭華,袁蕎龍,王得寧,應(yīng)圣康;雜化材料的制備、性能及應(yīng)用[J];功能高分子學(xué)報(bào);2000年02期

3 徐熾煥;無機(jī)/有機(jī)雜化材料的制備及商品化[J];化工新型材料;2001年01期

4 李旭華,袁蕎龍,王得寧;新型非線性光學(xué)雜化材料結(jié)構(gòu)與性能的研究[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2002年12期

5 張啟衛(wèi),章永化,陳守明,熊紅兵,龔克成;聚甲基丙烯酸丁酯-二氧化硅雜化材料的制備及性能[J];高分子材料科學(xué)與工程;2003年05期

6 李宏途,張宏文,徐亞新,張開,金旭,周鑫,王靜媛;用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法制備新型含有高分子金屬配合物的無機(jī)-有機(jī)雜化材料[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報(bào);2005年07期

7 王華林;李延紅;翟林峰;史鐵鈞;盛敏剛;王繼植;;可降解聚乳酸/羥基磷灰石雜化材料——Ⅲ.聚乳酸/羥基磷灰石雜化材料的制備及降解[J];高分子材料科學(xué)與工程;2006年03期

8 凌偉;顧嬡娟;梁國正;;耐熱有機(jī)／無機(jī)雜化材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2007年10期

9 劉鎮(zhèn);吳慶銀;鐘芳銳;;無機(jī)-有機(jī)雜化材料的研究進(jìn)展[J];石油化工;2008年07期

10 李玉;于文志;韓兆讓;劉春麗;余娜;崔琳琳;;PMMA/TiO_2-SiO_2高分子雜化材料的制備與表征[J];高分子材料科學(xué)與工程;2008年11期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李允伍;趙強(qiáng);何坤歡;曾永飛;卜顯和;;新型無機(jī)有機(jī)雜化材料的構(gòu)筑與性能研究[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第08分會(huì)場摘要集[C];2010年

2 蘇忠民;;多酸基無機(jī)-有機(jī)雜化材料的實(shí)驗(yàn)合成和理論計(jì)算[A];中國化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì)第08分會(huì)場摘要集[C];2010年

3 楊揚(yáng);趙超越;陳橋;吳剛;;高流動(dòng)性星形聚酰胺雜化材料[A];2010年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)學(xué)術(shù)論文集（下冊）[C];2010年

4 張翠娟;王明盛;郭國聰;;一種無機(jī)-有機(jī)雜化材料的合成和結(jié)構(gòu)[A];中國化學(xué)會(huì)2013年中西部地區(qū)無機(jī)化學(xué)化工學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2013年

5 林長亙;陳偉;宋宇飛;;不對稱多酸基雜化材料的合成與表征[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第13分會(huì)：晶體工程[C];2014年

6 楊勝洋;李晴;王彩鳳;陳莉;陳蘇;;利用催化鏈轉(zhuǎn)移聚合法制備量子點(diǎn)—聚合物雜化材料[A];2009年全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)論文摘要集（上冊）[C];2009年

7 徐龍彬;岑浩;傅雅琴;;二氧化硅含量對形狀記憶聚氨酯/二氧化硅雜化材料的性能影響[A];復(fù)合材料：創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展(上冊)[C];2010年

8 閆冰;;鑭系光功能雜化材料多層次組裝最新研究進(jìn)展[A];第六屆全國物理無機(jī)化學(xué)會(huì)議論文摘要集[C];2012年

9 徐龍彬;岑浩;傅雅琴;;二氧化硅含量對形狀記憶聚氨酯/二氧化硅雜化材料的性能影響[A];復(fù)合材料：創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展(上冊)[C];2010年

10 王希渠;;特異無機(jī)/有機(jī)雜化材料的分子設(shè)計(jì)[A];科技、工程與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展——中國科協(xié)第五屆青年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2004年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 本報(bào)記者 楊維驊　通訊員 向娟;雜化材料“武裝”功能纖維[N];中國紡織報(bào);2009年

2 本報(bào)記者 沈軼倫;創(chuàng)造1+1>2的效應(yīng)[N];解放日報(bào);2009年

3 通訊員 向梅　記者 劉們;纖維為你擋住紫外線[N];上�？萍紙�(bào);2009年

4 記者 陶婷婷;纖維業(yè)界領(lǐng)軍人 學(xué)生眼中好師長[N];上�？萍紙�(bào);2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 肖瑩;鋰離子電池負(fù)極材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控及電化學(xué)性能研究[D];北京理工大學(xué);2015年

2 吳瑩;有機(jī)—鉬磷酸功能分子雜化材料的合成表征及性質(zhì)研究[D];蘇州大學(xué);2006年

3 童霞;磷系三元雜多化合物及其雜化材料的制備及導(dǎo)電性能研究[D];浙江大學(xué);2013年

4 秦家強(qiáng);聚酰亞胺/二氧化硅雜化材料微相結(jié)構(gòu)的形成、演化及結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究[D];四川大學(xué);2006年

5 毛輝麾;具有規(guī)整孔道結(jié)構(gòu)的蒙脫土柱撐雜化材料的制備及催化性能研究[D];北京化工大學(xué);2009年

6 曹元一;受阻酚的聚多態(tài)及聚合物/受阻酚阻尼雜化材料的制備[D];華東理工大學(xué);2010年

7 高大海;交聯(lián)有機(jī)硅氧烷雜化材料的制備及其涂層應(yīng)用[D];北京化工大學(xué);2012年

8 周實(shí);由過渡金屬和剛性/柔性含氮有機(jī)配體修飾的多酸基無機(jī)—有機(jī)雜化材料的合成及性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2015年

9 陳鷺劍;共軛多烯類雜化材料的設(shè)計(jì)、制備及非線性光學(xué)研究[D];浙江大學(xué);2007年

10 李忠;聚合物/無機(jī)物/生物質(zhì)雜化復(fù)合材料及其陶瓷材料的研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 何廣強(qiáng);石墨烯基多元雜化材料的制備及其光催化性能研究[D];安慶師范學(xué)院;2015年

2 鄒杏;偶氮苯/氧化石墨烯雜化材料及其對Fe_3O_4納米顆粒電磁性質(zhì)的影響[D];蘭州大學(xué);2015年

3 張園廠;磷酸錳基納米花雜化材料的制備與應(yīng)用研究[D];鄭州輕工業(yè)學(xué)院;2015年

4 何興華;納米金屬氧化物基雜化材料的制備及其對重金屬離子的去除研究[D];蘭州大學(xué);2015年

5 程顯為;UV固化含硅有機(jī)/無機(jī)雜化材料的制備及性能研究[D];杭州師范大學(xué);2015年

6 馬麗娜;離子型聚合物—分子篩雜化材料的合成及應(yīng)用研究[D];齊魯工業(yè)大學(xué);2015年

7 李政;新型含羥基配體的合成及其在稀土發(fā)光雜化材料中的應(yīng)用[D];上海海洋大學(xué);2015年

8 張守村;應(yīng)用活性自由基聚合制備有機(jī)/無機(jī)雜化材料及其性能表征[D];西北師范大學(xué);2009年

9 陳麗娟;新型聚氨酯/含羥基填料有機(jī)/無機(jī)雜化材料的制備與性能[D];華南理工大學(xué);2010年

10 邱澤皓;雜化材料及其在古象牙文物保護(hù)中的應(yīng)用研究[D];成都理工大學(xué);2006年

本文編號(hào)：969021