收藏本站
《长沙理工大学》 2015年
加入收藏

纳米结构钒酸钠电极活性材料的制备及电化学性能研究

马永  
【摘要】:近年来,钒氧化物和钒酸盐嵌锂材料由于其较高的比容量、低廉的成本以及简便的合成方法成为了研究热点。在我国,存在着钒资源丰富,但综合利用程度不高的问题,因此有必要开发高比容量的钒系化合物,用作新型锂离子二次电池的电极材料,这对于优化我国钒资源的有效利用和促进经济的快速发展都具有重要的意义。但是目前,钒系化合物嵌锂材料仍然存在着一些问题,主要是倍率性能差,循环性能不够稳定,这就限制了钒系化合物嵌锂材料的商业化应用。本论文着眼于结构相对稳定的钒酸盐材料,通过采用两种新型的制备方法,分别获得了具有较高性能的钒酸钠材料,并分别探讨了在有机系锂离子电池体系和水溶液锂离子电池体系中的电化学性能和脱嵌锂机制。尝试了用高能超声分散法对合成的材料进行超薄化处理,并研究处理后的材料的电化学性能。本论文的主要工作和结果如下:设计了一种新型的水热-固相烧结两步法,合成了分散均匀的NaV_3O_8纳米片材料。通过研究发现,NaV_3O_8纳米片材料在有机系锂离子电池中具有良好的可逆脱嵌锂能力。300 mA/g电流密度下首次放电容量为81.6 mAh/g(基于NaV_3O_8的质量),100次循环后容量依然有80 mAh/g,显示出了良好的循环稳定性能和容量保持率。当用作水系锂离子电池负极时,300 mA/g电流密度下首次放电容量为60.4 mAh/g(基于NaV_3O_8的质量),120次循环后容量依然有60.6 mAh/g,循环稳定性和容量保持率都很高。本文还探索了以NH_4VO_3和NaOH?H_2O为原料一步烧结法合成钒酸钠的可能性,并通过超声分散的方法对合成的材料进行分散处理,对比分析超声前后材料的电化学性能差异。超声前该材料组装的水溶液锂离子电池在300mA/g电流密度下首次放电容量为72.7 mAh/g(基于NaV_3O_8的质量)。200次循环后,容量为66 mAh/g,容量保持率高达91%,体现出了优良的循环稳定性。600mA/g电流密度下初始放电容量为70.9 mAh/g,200次循环后容量为53 mAh/g,容量保持率为75%,循环稳定性较好,但是与300mA/g下的循环稳定性相比有了一定下降,这也说明了所合成的材料的倍率性能有待提高。该NaV_3O_8纳米材料在有机锂电池体系中,30mA/g电流密度下的初始放电容量虽高达240 mAh/g,但是40次循环后,容量保持率仅为45%,说明该方法合成的NaV_3O_8纳米片在有机锂电池体系中低倍率下的循环稳定性能较差;300mA/g电流密度下的初始放电容量达到了150mAh/g,100次循环后容量保持率为55%;600mA/g电流密度下的初始放电容量可以达到138.5mAh/g,100次循环后容量保持率为62%;1500mA/g电流密度下的初始放电容量可达到111.3mAh/g,100次循环后的容量保持率为79%。很明显该NaV_3O_8纳米材料在大倍率下的循环稳定性更好。尝试通过高能超声法对材料进行超薄化处理,改善材料的电化学性能,并对比处理前后材料性能的改善情况。超声处理后在有机体系中30mA/g电流密度下的初始放电容量为138 mAh/g,对比超声前容量有了较大下降。前30次循环后放电容量为116mAh/g,容量保持率为84%,相比于超声前54%的容量保持率,有了大幅度提升,循环稳定性较好。但是大倍率下,材料的循环稳定性和放电容量都有了明显的下降,说明超声处理对材料的电化学性能的改进有很大的局限性,没能从根本上解决材料循环稳定性差的问题。通过对比超声前后材料的形貌改变,从材料结构的改变方面入手,探明超声处理后材料容量和循环稳定性能改变的原因。
【关键词】:锂离子电池 钒酸钠 倍率性能 循环性能 锂离子脱嵌机理 纳米结构
【学位授予单位】:长沙理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TQ131.12;O646
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-13
  • 第一章绪论13-31
  • 1.1 引言13-14
  • 1.2 锂离子电池的原理和概述14-19
  • 1.2.1 锂离子电池的原理14-15
  • 1.2.2 锂离子电池的发展概述15-19
  • 1.3 水系锂离子电池19-26
  • 1.3.1 水系锂离子电池的工作原理19-20
  • 1.3.2 水系锂离子电池电极材料研究进展20-26
  • 1.4 NaV_3O_8电极材料的研究进展26-29
  • 1.4.1 NaV_3O_8的晶体结构特点26-27
  • 1.4.2 NaV_3O_8的合成及电化学性能27-28
  • 1.4.3 NaV_3O_8作为锂离子电池电极材料的充放电机制28-29
  • 1.5 本论文的研究内容、创新和意义29-31
  • 1.5.1 本论文的研究内容29
  • 1.5.2 创新之处29-30
  • 1.5.3 研究意义30-31
  • 第二章 NaV_3O_8纳米片的制备及表征31-37
  • 2.1 引言31-32
  • 2.2 实验部分32-33
  • 2.2.1 实验试剂32
  • 2.2.2 实验仪器32-33
  • 2.2.3 材料合成33
  • 2.2.4 表征33
  • 2.3 结果与讨论33-36
  • 2.3.1 VO2前驱体的表征33-35
  • 2.3.2 NaV_3O_8纳米片的表征35-36
  • 2.4 本章小结36-37
  • 第三章 NaV_3O_8作为水系锂电池负极和有机系锂电池正极的性能研究37-49
  • 3.1 引言37-38
  • 3.2 水系锂电池体系电化学测试38-42
  • 3.2.1 电极片的制备及电池的组装38
  • 3.2.2 结果与讨论38-42
  • 3.3 有机系锂电池体系电化学测试42-48
  • 3.3.1 电极片的制备及电池的组装42
  • 3.3.2 结果与讨论42-48
  • 3.4 本章小结48-49
  • 第四章 NH_4VO_3和NaOH高温烧结制取NaV_3O_8纳米片49-63
  • 4.1 引言49
  • 4.2 实验部分49-51
  • 4.2.1 实验试剂49-50
  • 4.2.2 实验仪器50
  • 4.2.3 材料合成50
  • 4.2.4 表征50-51
  • 4.2.5 电化学测试51
  • 4.3 结果与讨论51-61
  • 4.3.1 NaV_3O_8的表征51-53
  • 4.3.2 电化学性能研究53-58
  • 4.3.3 超声剥离法对改进NaV_3O_8纳米片电化学性能的尝试58-61
  • 4.4 本章小结61-63
  • 结论与展望63-66
  • 1 结论63-64
  • 2 展望64-66
  • 参考文献66-74
  • 致谢74-76
  • 附录A (攻读硕士学位期间发表论文和取得的成果)76

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陆必志,陈振兴,黄巧萍,刘辉;纳米片状铝粉的制备及其发展动态[J];粉末冶金工业;2004年02期
2 曾乐勇;王维彪;梁静秋;夏玉学;雷达;赵海峰;;碳纤维衬底上定向碳纳米片阵列的制备[J];功能材料与器件学报;2008年03期
3 母建林;刘颖;王辉;叶金文;文晓刚;谷林;;微波法合成金纳米片[J];化工新型材料;2010年07期
4 高凌云;;单原子层纳米片新技术[J];现代物理知识;2011年02期
5 唐春娟;杨慧琴;张永胜;苏剑峰;;铋纳米线和纳米片的制备[J];材料研究学报;2011年03期
6 龙丽珍;谢亚;黄小林;刘新利;王世良;贺跃辉;赵中伟;;氧化铝纳米片的气相合成及其力学性能[J];粉末冶金材料科学与工程;2011年06期
7 任兰正;王金秀;孙开莲;;羟基离子液体中单晶金纳米片的制备与表征(英文)[J];材料科学与工程学报;2012年03期
8 高烨;王晓菊;边江鱼;;氢氧化镁纳米片的合成及其润滑性能的研究[J];分子科学学报;2012年04期
9 莫博;阚彩侠;柯善林;从博;徐丽红;;银纳米片的研究进展[J];物理化学学报;2012年11期
10 张好成;刘培香;;二硫化钼纳米片功函数相关研究获进展[J];功能材料信息;2013年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨晓华;杨化桂;李春忠;;{001}晶面主导的锐钛二氧化钛纳米片的热稳定性研究[A];颗粒学最新进展研讨会——暨第十届全国颗粒制备与处理研讨会论文集[C];2011年
2 杨晓晶;;无机纳米片的制备和再配列的进展[A];中国化学会第26届学术年会无机与配位化学分会场论文集[C];2008年
3 刘德宇;叶泽中;林海昕;任斌;田中群;;铜纳米片及其复杂合金纳米结构的合成及应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
4 张东阳;丁书江;Xiong Wen(David)Lou;;二硫化钼纳米片复合材料的制备及其锂离子存储性能[A];中国化学会第28届学术年会第5分会场摘要集[C];2012年
5 虞梦娜;杜祝祝;林进义;解令海;黄维;;萘酰亚胺基有机纳米片的二维生长和纳米复合[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第33分会:纳米材料合成与组装[C];2014年
6 崔聪颖;成英文;李文静;邱翠翠;马厚义;;金纳米片的刻蚀过程及其腐蚀机理[A];2010年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议摘要集[C];2010年
7 张桥;;银纳米片的胶体合成[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会:胶体与界面[C];2014年
8 陈圆;丁欢欢;刘天晴;;层状液晶中金属纳米片的制备[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第26分会:胶体与界面[C];2014年
9 杨海丽;刘益江;周鹏;王启光;梁福鑫;杨振忠;;响应性聚合物/无机复合Janus纳米片的制备及其性能研究[A];2013年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题J:高分子复合体系[C];2013年
10 陈小兰;师赛鸽;黄艺专;陈美;汤少恒;莫世广;郑南峰;;不同表面修饰对钯纳米片活体行为的影响[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第05分会:无机化学[C];2014年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 记者 刘霞;科学家利用超薄沸石纳米片造出高效催化剂[N];科技日报;2012年
2 冯卫东;新型透明塑料薄如纸硬如钢[N];科技日报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋金刚;层状分子筛的层间修饰与结构解析[D];华东师范大学;2015年
2 郭琬;铋系氧酸盐的形貌调控及其光催化性能研究[D];东北师范大学;2015年
3 张文东;BiOBr和C_3N_4的制备、表征及可见光催化氧化罗丹明B性能研究[D];重庆大学;2015年
4 尹莉;氧化钨纳米片与石墨烯基多级复合纳米材料的构筑与气敏性能研究[D];郑州大学;2015年
5 李秀万;氧化锰电极的纳米结构设计、制备及其储锂性能研究[D];兰州大学;2015年
6 刘飞;氮化硼基纳米材料与薄膜的催化剂辅助生长及其性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
7 李蓓蓓;富含{001}晶面二氧化钛光催化剂的可控制备及性能研究[D];大连理工大学;2015年
8 朱金保;3d过渡金属氧化物超薄纳米片的合成及其储能性质研究[D];中国科学技术大学;2013年
9 钱红梅;金属、半导体纳米片的调控合成、组装及光电性能研究[D];北京理工大学;2015年
10 胡晨晖;基于层状铌酸钾和α-磷酸锆的光降解和烯烃环氧化催化剂研究[D];南京大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李涛;基于氧化钨纳米片多级复合纳米结构的制备与光催化性能研究[D];郑州大学;2012年
2 邹浩琳;功能化石墨烯与二硫化钼纳米片的制备及其在电化学传感器中的应用[D];西南大学;2015年
3 李帮林;二维与零维二硫化钼纳米材料的制备及生物传感应用研究[D];西南大学;2015年
4 胡连仁;二硫化钼(MoS_2)基复合纳米材料的制备及其电化学储锂性能研究[D];郑州大学;2015年
5 王楠;超临界二氧化碳辅助构筑的乳液环境中制备二维层状材料及其功能化应用研究[D];郑州大学;2015年
6 韩美胜;球磨法制备六方氮化硼纳米片的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
7 吴敢敢;石墨烯(石墨纳米片)/环氧树脂船用涂料防腐性能的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
8 邹志娟;共轭分子/二氧化钛复合材料的结构设计与催化性质[D];哈尔滨工业大学;2015年
9 何亚飞;二维纳米钼化合物及其功能复合材料的制备与性能研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
10 孙亚健;二维层状Ti_3C_2纳米片的液相剥离及在LIBs中的充放电特性[D];哈尔滨工业大学;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026