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锂离子电池纳米多孔镍猛合金氧化物电极的制备及性能研究

张攀  
【摘要】:锂离子电池由于具有能量密度大、容量高、输出电压高、循环使用寿命长、安全性能好等优点目前在新能源汽车、手机、电脑等电子产品中应用十分广泛。其工作原理主要是依靠锂离子在正负极板间的嵌入和脱嵌来完成,与此同时极板间会伴有等量的电子的产生,电子数量越大电池的容量就越大。目前传统商业化的锂离子电池大多都采用石墨作为负极板材料,钴酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂等作为电池的正极。而这类电池的比能量比较低已经不能满足当前用电设备对电池高能量密度的要求。采用脱合金化法制备的纳米多孔镍锰合金由于具有纳米多孔结构、比表面积高和孔径可调等优势,在锂离子电池的负极材料领域具有广阔的应用前景。本文采用脱合金化法和碳包覆法制备镍锰合金氧化物,并将其作为锂离子电池的负极材料。实验主要内容如下:(1)采用脱合金法制备纳米多孔的镍锰合金:利用硫酸铵腐蚀液对镍锰合金板进行选择性腐蚀,同时控制腐蚀时间和水浴温度腐蚀掉部分锰元素形成纳米多孔NiMn(npNM)。用研磨器皿将镍锰金研磨成粒径大小约为2 um的颗粒,得到多孔镍锰合金。(2)纳米多孔合金@氧化物(npNM@oxides)的制备:将脱合金化制备的纳米多孔镍锰置于管式炉中进行还原处理增大孔径,随后在空气中300℃条件下进行氧化以获得纳米多孔合金@氧化物材料。(3)碳包覆制备纳米多孔合金@氧化物(C@npNM@oxides)电极:以葡萄糖作为碳源,通过热处理引起葡萄糖碳化在氧化物表面形成无定形碳,有利于形成缓冲层,可有效的缓解材料膨胀导致的电池性能降低现象,也可以降低电极材料的阻抗,从而增强电极材料的电化学性能。(4)通过对npNM@oxides制备的电极和C@npNM@oxides制备的电极进行电池的封装与测试,其电化学性能表征表明:具有纳米多孔结构合金@氧化物电极在电流密度为100mAg-1时其充放电80圈后比容量可达到840 mAh g-1,即使增加到500mAg-1,也可保持790mAh g-1具有良好的倍率性能;而具有碳包覆的电极因碳层的缓冲层/导电体作用其电化学性能明显增加,即在电流密度为100mAg-1电流密度下最大可达到1000 mAh g-1且循环80圈后达920mAhg-1。所以采用此法制备的电极在批量制备汽车用动力电池或电子产品的续航电池领域具有广阔的应用前景。


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