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新型能源材料—电化学电容器与锂离子电池电极材料的研究

梁彦瑜  
【摘要】:锂离子电池因工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、“绿色”环保等众多优点而倍受人们的关注,目前已广泛应用于小型用电器中,并正积极向空间技术、国防工业、电动汽车、UPS等领域发展。锂离子电池技术的关键在于嵌入式电极材料的成功开发,进一步改进工艺,降低成本和提高性能是现阶段锂离子电池发展的主攻方向;电化学电容器是一种新型的储能装置,因其比功率高、循环性能好,不仅可用作计算机等后备电源和各种小型电子仪器的功率电源,还可以和锂离子电池组合作为电动汽车的动力电源系统。因此电化学电容器也是新型化学电源研究中的热点之一。 本论文综述了锂离子电池和电化学电容器电极材料的最新研究进展,并制备了相关的电极材料以及在这两类装置中的应用进行了深入的研究。利用XRD、SEM、TEM、和IR等技术对电极材料的微观结构和形貌进行了分析,采用恒电流充放电、循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)等技术测试其电化学性能。重点讨论了不同种类电极材料存储电荷能力的行为。主要内容如下: (1) 以超稳Y型分子筛为模板,利用液相沉淀方法合成一系列分子筛基金属氢氧化物、氧化物电极材料,并将其用于电化学电容器的研究。对所制备分子筛基复合材料的各向异性形貌的形成机理,电化学电容特性、电化学反应机理、电极过程动力学等进行了较为详细的分析。研究表明,通过分子筛表面所固有的排列有序的孔道或笼等微观结构,能够保证所担载的活性材料在三维方向上定向排列,形成疏松堆积的多孔纳米材料。这种独特的多孔结构不仅提供了活性离子快速进出电极表面的通道,而且可以使活性离子扩散到电极的体相,充分利用电极材料的电活性位,发生氧化还原反应,使得该系列复合物材料具有非常高的比电容性质。其中担载量为28 wt%的Co(OH)_2/USY复合物具有958 F/g的比电容,甚至超过了水合RuO_2在酸性电解液中的电容行为,能够实现Co(OH)_2高达98%的材料利用率。通过这一方法不仅开辟了沸石一个全新的应用领域,而且获得目前电化学电容器电极材料的最高比电容值。 (2) 首次利用葡萄糖原位还原水热方法制备了理想尖晶石型LiMn_2O_4·和掺杂型LiMn_2O_4,并将其用于锂离子二次电池正极材料的研究。重点考查合成工艺条件对于产物物理和电化学性能的影响,并结合葡萄糖所扮演还原剂的作用,对水热合成反应的机理做出初步的解释。结果显示水热反应的温度和还原剂的添加对于形成理想尖晶石型结构起到非常关键的作用,水热温度在200℃,以葡萄糖作为还原剂更有利于获得较为理


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