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纳米结构锂离子电池负极材料的设计、制备及性能研究

金双玲  
【摘要】:锂离子电池由于其优异的性能不仅在小型移动消费电子产品领域已经占据主导地位,而且在近来已经在动力电池以及储能电池领域都表现出令人瞩目的发展前景。但是电极材料比容量、比功率的限制已经成为制约锂离子电池发展应用的瓶颈。目前商业锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料,但其理论比容量只有372 mAhg-1,限制了锂离子电池比能量、比功率的进一步提高。因此,研究和发展比容量更高、功率密度更大、循环寿命更长、价格更低的新型负极材料体系,已成为国际上研发高性能锂离子电池材料的关键共性问题。纳米结构电极材料近来成为该领域的研究热点,因其可以提供大的电极/电解液接触面积,缩短的锂离子与电子的扩散距离,因而能有效提高锂离子电池的性能。因此,如何实现锂离子电池电极材料的纳米化,并深入探讨电极材料纳米化与电池相关性能的优化关系是一个很有意义的研究课题。本论文的主要研究内容如下: 1、通过在乙二醇溶剂热体系中制备铁醇盐前驱体并经过其在氮气中的分解,制得了由Fe3O4/C纳米片组装成的花状分级结构,碳来自于醇盐中有机组分原位分解。电化学测试结果表明,在0.2C的充放电速率下循环150次后可逆容量为1030 mAhg-1并具有良好的倍率循环性能,其出色的电化学性能来源于其独特的纳米结构与碳的协同作用。另外通过调节反应物的浓度制备出了片状及空心花状的Fe3O4/C复合物,考察了形貌形成机理,但其电化学性能均劣于花状结构。 2、以球状钛乙醇酸盐为Ti02前驱体,葡萄糖作碳源,通过一步水热法制得直径为300~400 nm的TiO2/C复合纳米微球。葡萄糖的浓度对产物的形貌、结构、碳含量有重要影响,进而影响产物的电化学性能。当碳含量为7%时,TiO2/C纳米复合材料的晶粒大小、BET比表面积、平均孔径分别为7.1nm、157m2g-1和5.2 nm。该材料用作锂离子电池负极材料时,在0.2C的电流密度下循环80次后的嵌锂容量为160 mAhg-1,并且具有较好的倍率性能。 3、室温下在表面活性剂P123辅助乙醇体系中合成了亚微米管状前驱体SnC2O4,经煅烧制得多孔结构SnO2亚微米管。研究了反应条件如表面活性剂的浓度、种类、溶剂的影响,表明P123促进了前驱体沿一维方向的生长,并且空心结构是在乙醇洗涤作用下形成的。电化学测试研究表明SnO2多孔亚微米管具有良好的循环性能,30次循环后容量370 mAhg-1,较佳的性能来源于其独特的中空及多孔结构。 4、以CH4为碳源,在950℃通过热解碳沉积法对碳纳米管(CNTs)进行了包覆。沉积时间、碳源及氢气的加入对沉积行为均有影响。电化学测试表明,热解碳包覆后的CNTs的倍率循环性能提高,在实验条件下,包覆时间为120 min时CNTs的综合电化学性能最佳,在0.2C、0.5C、1C、2C、5C倍率下的放电比容量分别为234、218、197、166、113mAhg-1在1C的高倍率下循环600次后的可逆容量为126mAhg-1,容量保持率为63.6%,而未包覆的CNTs只有25.4%。


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