收藏本站
《兰州理工大学》 2019年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高比容量锂离子电池负极材料制备及其电化学性能研究

刘骥飞  
【摘要】:新一代锂离子电池储能器件应当具有高能量密度、高循环稳定性、轻薄、低成本化以及环境友好等特点。为克服锂离子电池活性材料的低离子/电子扩散迁移速率,提升循环稳定性。设计具有优化纳米通道、低维度及交联网状的一维纳米结构,由于其独特的离子/电子输运路径,以及对材料体积变化较强的耐受性,是一种实现离子和电子高质量传输,循环高度可逆,从根本上提升锂离子电池储能性能的有效途径。本文以静电纺丝法制备一维纳米结构的高比容量锂离子电池负极材料为主线,依次设计并制备了比容量递增的碳纳米纤维(Carbon Nanofibers,CNFs)、镍/钴氧化物纳米颗粒镶嵌CNFs、空心纳米管(Nanotubes,NTs)、串珠状纳米线(Nanowires,NWs)和硅纳米颗粒镶嵌CNFs等一维结构材料。基于嵌入式反应、转换反应以及合金化反应等储能机制,系统研究了提升锂离子电池电化学性能的有效方法,取得一些重要的科学成果:(1)采用静电纺丝结合控制热解制备出直径均匀且超长连续的CNFs,并研究其作为锂离子电池电极材料的电化学性能。发现热解过程中特殊的样品夹装工艺能够优化CNFs的表面平整度,提升材料易加工性,大幅缩减电极片制备成本和时间。CNFs电极在400 mA g~(-1)电流密度下循环1910次后可逆比容量仍保持在205 mAh g~(-1),对应每次循环容量衰减率仅为0.02%。研究表明:一维纳米结构的CNFs能够提供定向电子输运路径和良好的应力耐受性,增强Li~+嵌入/脱嵌时的结构稳定。(2)采用静电纺丝结合控制热解制备出多种可控一维纳米结构,包括氧化镍纳米管(NiO NTs)、氧化镍纳米线(NiO NWs)、镶嵌氧化镍的碳纳米纤维(NiO CNFs),后者可作为锂离子电池柔性电极。NiO CNFs在0.5 C倍率下循环200次后,剩余比容量(481 mAh g~(-1))超过NiO NTs和NiO NWs的1倍。研究表明:NiO纳米颗粒均匀形核在高导电性CNFs交联构筑的三维网络中,增强了NiO的电子导电性,同时,有效缓解了高比容量NiO纳米颗粒的团聚,从而进一步提高了材料循环稳定性。(3)将静电纺丝前驱体分别在空气和氩气气氛中热解,制备了超长且连续的Co_3O_4纳米管(Co_3O_4 NTs)和镶嵌Co_3O_4的碳纳米纤维(Co_3O_4 CNFs)。阐述了两种不同一维结构的生长机理,发现优化热解升温速率能有效控制一维结构的微观形态及孔隙率。Co_3O_4 CNFs电极以0.5 C倍率循环500次后,可逆比容量(426 mAh g~(-1))是Co_3O_4 NTs的2倍。研究表明:通过CNFs提升电极材料导电性,能够有效降低电极内阻,从而提升其可逆容量及倍率性能,一维纳米结构电极与Li~+反应后的结构稳定性对其电化学性能的提升具有重要意义。(4)采用水热法和静电纺丝法分别制备了碳包覆硅纳米颗粒(SiCNPs)和镶嵌硅纳米颗粒的碳纳米纤维(Si CNFs)。Si CNFs经150次循环后(电流密度200 mA g~(-1))的可逆比容量(951 mAh g~(-1))远高于Si CNPs的592 mAh g~(-1)。进一步的将水热法合成的Si CNPs通过静电纺丝制备出新颖一维结构的Si CNPs/CNFs电极材料,Si CNPs/CNFs的交流阻抗结果表明其电荷转移阻抗(70.7Ω)低于Si CNFs(100Ω)和Si CNPs(175Ω)。倍率性能和循环稳定性能优势明显,相同电流密度循环200次后可逆比容量达到1370mAh g~(-1)。研究表明:碳包覆和碳纳米纤维协同强化了高比容量Si纳米颗粒的导电性;同时,CNFs交联形成的三维多孔结构和良好的机械强度可以有效抑制Si纳米颗粒的团聚和体积膨胀,从而有效提升了电极材料的循环稳定性。种种结果都展现出CNFs在锂离子电池负极材料中的潜在应用价值。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB383.1;TM912

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 吴中;张新波;;氮氧共掺杂多孔碳片用于超高比容量的超级电容器(英文)[J];Science China Materials;2016年07期
2 刘宇,解晶莹,杨军,王可,王保峰;高可逆比容量锡负极循环性能的改善[J];电源技术;2002年06期
3 余成洲,赖为华,颜广炅,吴金媛;高比容量氧化镍电极的研制[J];电池;1999年02期
4 苏玉长,肖代红,陈鼎,杜若昕;LiMn_2O_4的高温比容量衰减研究[J];广州化学;2000年03期
5 付维贵;齐然;潘靖;陈莉;;高比容量锂离子电池正极材料NCA的制备及性能[J];天津工业大学学报;2017年03期
6 ;硫纳米森林做电极创电池质量比容量纪录[J];功能材料信息;2012年04期
7 刘欣;赵海雷;解晶莹;汤卫平;潘延林;吕鹏鹏;;锂离子电池高比容量负极用粘结剂[J];化学进展;2013年08期
8 吴锋;李宁;安然;苏岳锋;包丽颖;李月姣;陈实;;基于Li_2MnO_3的富锂类高比容量锂离子电池正极材料的研究进展[J];北京理工大学学报;2012年01期
9 王春忠;杨旭;陈岗;;高比容量钠离子电池合金系负极材料的研究进展[J];吉林师范大学学报(自然科学版);2016年03期
10 李春水,蔡民良,范建珊;高比容量电沉积负极生产工艺及电极性能[J];电源技术;1996年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 敖翔;李艺;王春栋;;螺旋状介孔碳质纳米管超高比容量锂离子电池设计[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会:化学电源[C];2016年
2 赵艳茹;汤艳萍;吴东清;冯新亮;;石墨烯基二氧化硅/硫化钼复合材料的制备及锂电性能研究[A];第30届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2013年
3 张秋美;邓远富;施志聪;陈国华;;高比容量过渡金属氧化物负极材料的合成及电化学性能[A];第29届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2011年
4 周永宁;傅正文;;基于转换反应机制的双阴离子型负极材料[A];中国硅酸盐学会固态离子学分会理事会暨第一届固态离子学青年学术交流会文集[C];2011年
5 曾绍忠;;高比容量硅基负极材料研究进展[A];2012安徽省汽车工程学会年会论文集[C];2012年
6 黄泽亚;汪长安;;Mo掺杂的Li_2NiTiO_4正极材料的电化学性能优化[A];第十九届全国高技术陶瓷学术年会摘要集[C];2016年
7 郑仕兵;胡金艳;李丹;郭振威;黄苇苇;;高容量锂电材料Calix[6]quinone的合成探索[A];全国第十八届大环化学暨第十届超分子化学学术讨论会会议论文集(上)[C];2016年
8 张卫新;;高比容量锂离子电池电极材料介尺度结构演化过程机制与性能调控[A];2017储能材料与能量转换技术专题会议摘要集[C];2017年
9 姜博仑;曾诗;艾新平;;硅基负极发展策略探讨[A];第31届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2015年
10 丘鹤元;郑成;曾令兴;魏明灯;;分等级ZnV_2O_4微米球的合成及其电化学性能[A];第一届全国储能科学与技术大会摘要集[C];2014年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 记者 喻凯芳;维科成功研发高比容量聚合物锂电池[N];宁波日报;2006年
2 记者 李映;GPS功能成热点 3G手机电池比容量[N];中国电子报;2007年
3 记者 李山;硫纳米森林做电极创电池质量比容量纪录[N];科技日报;2012年
4 高敏;新型高比容量锂离子动力电池成市场新秀[N];科技日报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘骥飞;高比容量锂离子电池负极材料制备及其电化学性能研究[D];兰州理工大学;2019年
2 王赛;钠离子电池电极材料的简易高效合成及其性能的研究[D];吉林大学;2018年
3 杜雪飞;高比容量锂离子电池电极材料制备及电化学性能的研究[D];北京科技大学;2017年
4 杨旭;高比容量锡基负极材料的合成与电化学储能性质的研究[D];吉林大学;2016年
5 吴小亮;基于纳米碳的三维电极材料构筑及其在超级电容器中的应用[D];哈尔滨工程大学;2016年
6 丁艳红;多酸基复合材料的设计合成及其在电化学储能领域中的应用研究[D];东北师范大学;2017年
7 曹海亮;利用氧化石墨烯制备具有二维多孔结构的锂离子电池负极材料[D];中国科学院宁波材料技术与工程研究所;2016年
8 邹崴;钠/锂离子电池负极材料的制备与改性研究[D];电子科技大学;2016年
9 孙开莲;二次锂电池正负极材料制备与性能研究[D];上海大学;2015年
10 高兆辉;电化学电容器钒基化合物负极材料的研究[D];中国矿业大学(北京);2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴攀;等级孔碳锂硫电池正极材料的设计合成及应用[D];武汉理工大学;2018年
2 刘超群;碳包覆金属氧化物复合材料电化学储能性能研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
3 王倩;高性能磷系储能材料的设计及制备研究[D];昆明理工大学;2018年
4 丁娴;基于碳材料的锂二次电池电极材料制备与性能研究[D];陕西师范大学;2018年
5 于梦阳;改性多孔TiO_2材料的制备及其Li-S电池性能的研究[D];大连理工大学;2018年
6 朱纯梁;锂/空气电池高性能阴极的制备及其研究[D];华南理工大学;2018年
7 王瑞谊;MnO_x基纳米电极材料的合成及其性能研究[D];陕西科技大学;2018年
8 郑仕琦;高比容量硅碳负极的电极结构构筑[D];北京有色金属研究总院;2018年
9 李士震;高比容量锂硫电池电极材料的制备及性能改进的研究[D];青岛科技大学;2017年
10 张纯臣;锰化合物微纳结构的构筑调控及其电化学储能应用[D];太原理工大学;2017年
中国知网广告投放
 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