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《华南理工大学》 2017年
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镁氢化物和碳化钼薄膜转换负极的电化学储锂性能研究

彭翔  
【摘要】:基于转换反应的负极材料(金属氧化物、硫化物、氮化物、氢化物、碳化物等)来源广泛,具有比石墨高得多的比容量,是重点研究的一类锂离子电池负极材料。但这些转换负极材料普遍存在不可逆反应程度大、倍率性能和循环性能差的问题。通过纳米技术和复合改性是改善其电化学性能的重要途径。此外,薄膜电极得益于其方便的成分和微结构控制是研究新型负极材料电化学性能和反应机理的有效方法。本文以镁氢化物和碳化钼转换负极材料为研究对象,采用磁控溅射方法制备了系列薄膜负极材料,使用XRD、SEM、XPS、CV、恒流充放电测试等手段表征了薄膜的结构和电化学储锂性能,主要结论如下:(1)从Mg-C复合靶溅射沉积制备了Mg-C薄膜,形成非晶碳层包覆Mg纳米颗粒(约160 nm)的结构。Mg-C薄膜氢化后得到MgH_2-C复合薄膜。MgH_2-C薄膜电极在12μA cm-2下的首次放电比容量为126.5μAh cm-2(~1429 mAh g-1),其中转换反应(MgH_2+2Li++2e-→Mg+2Li H)贡献了约70.8μAh cm-2(~800mAh g-1)的容量,首次不可逆容量损失为52.5%。GITT方法测定的MgH_2转换反应的平衡电位为0.545 V vs.Li+/Li,充放电反应电压滞后约10 mV。碳的引入提升了MgH_2薄膜的导电性,首次放电过程极化现象较纯MgH_2膜减轻,并且通过缓冲应变和抑制颗粒聚集稳定了薄膜的微观结构,但Mg及Li H的表面钝化影响了MgH_2的可逆形成,使得循环容量迅速衰减。(2)从Mo_2C靶溅射沉积制备的MoC_(0.72)薄膜由fcc结构的α-MoC1-x相及非晶碳组成。基于转换反应储锂机制(MoC_(0.72)+xLi++xe-→Mo+LixC)的MoC_(0.72)薄膜展示了良好的循环稳定性和倍率性能。溅射功率100 W、溅射时间3 h制备的MoC_(0.72)薄膜在20μA cm-2下循环500次后,放电比容量仍有20.6μAh cm-2(~211.6mAh g-1),容量保持率为49.1%。其原因一方面是较小的碳化钼颗粒缩短了锂离子的传输距离,提高了反应动力学。另一方面碳的存在有效缓解了充放电过程中的体积膨胀,有助于薄膜容量的保持。(3)在MgH_2薄膜表面引入MoC_(0.72)和SnO_2保护层,制备了MgH_2-C/MoC_(0.72)和MgH_2/SnO_2双层膜。其中SnO_2保护层能明显改善MgH_2薄膜的循环性能。MgH_2/SnO_2-4 min电极在20次循环后,MgH_2转换反应仍可贡献约7.8μAh cm-2的容量,而纯MgH_2薄膜在10次循环后转换反应平台完全消失。其原因可能是具有电化学活性的SnO_2层阻隔了MgH_2与电解液的直接接触,减轻了MgH_2转换反应产物LiH与Mg的表面钝化,有利于MgH_2的可逆形成。因此,表面改性是改善镁氢化物电极循环性能的可行思路。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.2;TM912

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