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《河南工业大学》 2018年
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锂离子电池负极材料ZnSe/C复合物的合成及电化学性能研究

王泽华  
【摘要】:随着化石能源的不断消耗,在积极开发利用新型能源的背景下,锂离子电池凭借其高能量密度、高功率密度和较高的循环寿命等优势,在混合动力汽车及可携带能源领域具有良好的发展前景。石墨作为传统的负极材料,其较低理论质量比容量(372mAhg-1)和较小的层间距(0.335 nm)限制了其在大功率锂离子电池中的应用。Ge,Sb和Sn等金属虽然拥有较高的理论质量比容量(480,660和994 mAh g-1),但在充放电过程中剧烈的体积变化严重影响其循环稳定性和使用寿命。硒化锌(ZnSe)作为一种优异的半导体材料,广泛应用于蓝绿二极管激光器、发光二极管和可调谐的中红外激光源等领域。凭借其较高的理论质量比容量(557mAh g-1),ZnSe作为锂离子电池负极材料拥有良好的应用前景。另外,金属有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)凭借其较高的比表面积、多孔性与多样性的形貌结构等特点,作为新型多功能材料广泛应用于气体吸附分离、催化应用和电极材料等领域。基于此,本文以发展高循环稳定性的ZnSe负极材料为目标,选择ZnSe空心微球、ZnSe/C空心微球复合物以及ZnSe/C纳米立方体为研究对象,研究它们作为锂离子电池负极材料的电化学性能以及反应机理。具体研究工作如下:(1)选用高效易调控的水热法,通过控制反应条件,合成了 ZnSe空心微球,随后在混合气中与乙炔黑混合煅烧,在微球表面均匀地复合一层导电网络。结果表明,该方法合成的ZnSe/C材料在0.01-3.0 V的电压区间,1.0 Ag-1电流密度下,循环800次后可逆放电比容量达到573.5 mAhg-1,当电流密度上升到10.0 Ag-1时,循环5000次后的可逆放电比容量仍保持在318.8 mAh g-1,具有优异的循环稳定性和倍率性能。同时交流阻抗显示,与乙炔黑复合可明显提高ZnSe材料的电荷转移能力及锂离子的扩散速率。(2)采用液相合成法,在室温条件下合成了一系列不同形貌的ZIF-8纳米材料。结果表明,2-甲基咪唑与硝酸锌的摩尔比为55.3:1时,通过改变表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的比例和静置时间可调控纳米立方体的粒径大小和形貌,静置时间为24h时可得到尺寸均一的ZIF-8纳米立方体。随后将前驱体ZIF-8与Se粉均匀混合,研究不同煅烧温度(450,500和550 ℃)对材料形貌结构的影响,最终得到ZnSe/C纳米颗粒,并研究其在锂离子电池中的电化学性能。结果表明,作为锂离子电池负极材料时,450℃煅烧得到的材料电化学性能最佳,在0.01-3.0 V电压区间,1.0 A g1电流密度下首次循环的库仑效率为65.2%,循环500次后放电比容量高达617 mAhg-1。以不同的扫速(0.1-10.0mV s-1)测试该材料的循环伏安性能,分析表明该材料在充放电循环期间存在赝电容行为,并贡献了部分容量。(3)采用分步煅烧法,在混合气中锻烧使ZIF-8立方体分解得到前驱体,随后将前驱体与Se粉混合煅烧,得到N掺杂的ZnSe/C纳米立方体。通过XPS分析表明,该材料存在N-C键及N-N键。对该材料的BET测试表明,600℃制备的N掺杂的ZnSe/C材料具有较高的比表面积(493.45 m2 g-1),孔径分析表明该材料含有大量微孔和少量介孔。将其作为锂离子电池负极材料时,在0.01-3.0 V电压区间,0.1 A g-1电流密度下首次循环库仑效率为49.9%,初始放电比容量达到1099mAh g-1,循环100次后的可逆放电比容量保持在597.8 mAh g-1。较高的比表面积和大量微孔为电子和锂离子的传输提供了丰富的通道和存储位点,有效地改善了材料的稳定性及其电化学性能。
【学位授予单位】:河南工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TM912;TB33

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