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【6h】

高比容量鋰離子電池負(fù)極材料制備及其電化學(xué)性能研究

 
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  • 相似文獻(xiàn)
  • 相關(guān)主題

目錄

聲明

第1章 緒論

1.1 引言

1.2 鋰離子電池簡(jiǎn)述

1.2.1 鋰離子電池發(fā)展史

1.2.2 鋰離子電池構(gòu)成和工作原理

1.2.3 鋰離子電池電化學(xué)過(guò)程

1.2.4 影響電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素

1.3 鋰離子電池負(fù)極材料及其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

1.3.1 嵌入/脫嵌電化學(xué)反應(yīng)

1.3.2 轉(zhuǎn)換反應(yīng)

1.3.3 合金化反應(yīng)

1.4 一維納米結(jié)構(gòu)鋰離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展

1.4.1 一維納米結(jié)構(gòu)材料

1.4.2 靜電紡絲制備納米纖維

1.4.3 納米纖維作為鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用

1.5 研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)

1.5.1 選題依據(jù)

1.5.2 主要內(nèi)容

1.5.3 創(chuàng)新點(diǎn)

第2章 嵌入/脫嵌式的碳納米纖維電極制備及其儲(chǔ)能研究

2.1 引言

2.2 碳納米纖維提升電化學(xué)性能的機(jī)理

2.2.1 碳納米纖維提升鋰離子擴(kuò)散系數(shù)的機(jī)理

2.2.2 碳納米纖維提升電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的機(jī)理

2.3 碳納米纖維的制備

2.3.1 靜電紡絲法制備碳納米纖維電極

2.3.2 碳納米纖維表面形貌優(yōu)化

2.3.3 碳納米纖維的結(jié)構(gòu)與形貌特征

2.4 碳納米纖維電極的儲(chǔ)鋰性能研究

2.4.1 碳納米纖維電極裝配與測(cè)試

2.4.2 碳納米纖維儲(chǔ)鋰循環(huán)穩(wěn)定性研究

2.5 本章小結(jié)

第3章 基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的NiO一維電極材料儲(chǔ)能研究

3.1 引言

3.2 碳納米纖維誘導(dǎo)NiO均勻成核對(duì)儲(chǔ)鋰穩(wěn)定性的強(qiáng)化機(jī)理

3.3 一維納米結(jié)構(gòu)的NiO可控制備

3.3.1 靜電紡絲法制備一維納米結(jié)構(gòu)NiO

3.3.2 NiO鑲嵌碳納米纖維的結(jié)構(gòu)及形貌特征

3.3.3 NiO堆砌中空納米管的形貌特征

3.3.4 NiO串珠納米線(xiàn)的形貌特征

3.4 一維納米結(jié)構(gòu)的NiO儲(chǔ)鋰性能研究

3.5 碳納米纖維強(qiáng)化NiO儲(chǔ)鋰穩(wěn)定性能研究

3.6 本章小結(jié)

第4章 基于電化學(xué)轉(zhuǎn)換反應(yīng)的Co3O4一維電極材料儲(chǔ)能研究

4.1 引言

4.2 一維納米結(jié)構(gòu)的Co3O4制備

4.2.1 控制熱解優(yōu)化Co3O4的一維納米結(jié)構(gòu)

4.2.2 Co3O4鑲嵌碳納米纖維的結(jié)構(gòu)及形貌特征

4.2.3 Co3O4堆砌中空納米管的結(jié)構(gòu)及形貌特征

4.3 一維納米結(jié)構(gòu)的Co3O4生長(zhǎng)機(jī)理

4.4 一維納米結(jié)構(gòu)的Co3O4儲(chǔ)鋰性能研究

4.5 Co3O4一維納米結(jié)構(gòu)演變對(duì)儲(chǔ)鋰性能的影響

4.6 本章小結(jié)

第5章 基于電化學(xué)合金化反應(yīng)的Si基納米電極儲(chǔ)能研究

5.1 引言

5.2 低維結(jié)構(gòu)Si/C納米電極材料的制備

5.2.1水熱法合成Si CNPs及其電極制備

5.2.2靜電紡絲法制備Si CNFs電極

5.3 低維結(jié)構(gòu)Si/C納米電極材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征

5.3.1 Si CNPs材料的結(jié)構(gòu)及形貌特征

5.3.2 Si CNFs 材料的結(jié)構(gòu)及形貌特征

5.4 Si CNPs和Si CNFs電極材料的儲(chǔ)鋰性能研究

5.5靜電紡絲法制備新型Si CNPs/CNFs電極材料

5.6 Si CNPs/CNFs材料的結(jié)構(gòu)及形貌表征

5.7 碳包覆和碳納米纖維協(xié)同強(qiáng)化Si電極材料儲(chǔ)鋰性能研究

5.8 本章小結(jié)

第6章 結(jié)論與展望

6.1 本文結(jié)論

6.2 研究中存在的不足

6.3 研究展望

參考文獻(xiàn)

致謝

附錄A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄

展開(kāi)▼

摘要

新一代鋰離子電池儲(chǔ)能器件應(yīng)當(dāng)具有高能量密度、高循環(huán)穩(wěn)定性、輕薄、低成本化以及環(huán)境友好等特點(diǎn)。為克服鋰離子電池活性材料的低離子/電子擴(kuò)散遷移速率，提升循環(huán)穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)具有優(yōu)化納米通道、低維度及交聯(lián)網(wǎng)狀的一維納米結(jié)構(gòu)，由于其獨(dú)特的離子/電子輸運(yùn)路徑，以及對(duì)材料體積變化較強(qiáng)的耐受性，是一種實(shí)現(xiàn)離子和電子高質(zhì)量傳輸，循環(huán)高度可逆，從根本上提升鋰離子電池儲(chǔ)能性能的有效途徑。 本文以靜電紡絲法制備一維納米結(jié)構(gòu)的高比容量鋰離子電池負(fù)極材料為主線(xiàn)，依次設(shè)計(jì)并制備了比容量遞增的碳納米纖維（Carbon Nanofibers，CNFs）、鎳/鈷氧化物納米顆粒鑲嵌CNFs、空心納米管（Nanotubes，NTs）、串珠狀納米線(xiàn)（Nanowires，NWs）和硅納米顆粒鑲嵌CNFs等一維結(jié)構(gòu)材料?；谇度胧椒磻?yīng)、轉(zhuǎn)換反應(yīng)以及合金化反應(yīng)等儲(chǔ)能機(jī)制，系統(tǒng)研究了提升鋰離子電池電化學(xué)性能的有效方法，取得一些重要的科學(xué)成果： （1）采用靜電紡絲結(jié)合控制熱解制備出直徑均勻且超長(zhǎng)連續(xù)的CNFs，并研究其作為鋰離子電池電極材料的電化學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)熱解過(guò)程中特殊的樣品夾裝工藝能夠優(yōu)化CNFs的表面平整度，提升材料易加工性，大幅縮減電極片制備成本和時(shí)間。CNFs電極在400mA g-1電流密度下循環(huán)1910次后可逆比容量仍保持在205mAhg-1，對(duì)應(yīng)每次循環(huán)容量衰減率僅為0.02%。研究表明：一維納米結(jié)構(gòu)的CNFs能夠提供定向電子輸運(yùn)路徑和良好的應(yīng)力耐受性，增強(qiáng)Li+嵌入/脫嵌時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 （2）采用靜電紡絲結(jié)合控制熱解制備出多種可控一維納米結(jié)構(gòu)，包括氧化鎳納米管（NiO NTs）、氧化鎳納米線(xiàn)（NiO NWs）、鑲嵌氧化鎳的碳納米纖維（NiO CNFs），后者可作為鋰離子電池柔性電極。NiO CNFs在0.5C倍率下循環(huán)200次后，剩余比容量（481mAhg-1）超過(guò)NiO NTs和NiO NWs的1倍。研究表明：NiO納米顆粒均勻形核在高導(dǎo)電性CNFs交聯(lián)構(gòu)筑的三維網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)了NiO的電子導(dǎo)電性，同時(shí)，有效緩解了高比容量NiO納米顆粒的團(tuán)聚，從而進(jìn)一步提高了材料循環(huán)穩(wěn)定性。 （3）將靜電紡絲前驅(qū)體分別在空氣和氬氣氣氛中熱解，制備了超長(zhǎng)且連續(xù)的Co3O4納米管（Co3O4NTs）和鑲嵌Co3O4的碳納米纖維（Co3O4CNFs）。闡述了兩種不同一維結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化熱解升溫速率能有效控制一維結(jié)構(gòu)的微觀形態(tài)及孔隙率。Co3O4CNFs電極以0.5C倍率循環(huán)500次后，可逆比容量（426mAhg-1）是Co3O4NTs的2倍。研究表明：通過(guò)CNFs提升電極材料導(dǎo)電性，能夠有效降低電極內(nèi)阻，從而提升其可逆容量及倍率性能，一維納米結(jié)構(gòu)電極與Li+反應(yīng)后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)其電化學(xué)性能的提升具有重要意義。 （4）采用水熱法和靜電紡絲法分別制備了碳包覆硅納米顆粒（Si CNPs）和鑲嵌硅納米顆粒的碳納米纖維（SiCNFs）。SiCNFs經(jīng)150次循環(huán)后（電流密度200mA g-1）的可逆比容量（951mAh g-1）遠(yuǎn)高于SiCNPs的592mAh g-1。進(jìn)一步的將水熱法合成的Si CNPs通過(guò)靜電紡絲制備出新穎一維結(jié)構(gòu)的Si CNPs/CNFs電極材料，Si CNPs/CNFs的交流阻抗結(jié)果表明其電荷轉(zhuǎn)移阻抗（70.7Ω）低于SiCNFs（100Ω）和SiCNPs（175Ω）。倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性能優(yōu)勢(shì)明顯，相同電流密度循環(huán)200次后可逆比容量達(dá)到1370mAh g-1。研究表明：碳包覆和碳納米纖維協(xié)同強(qiáng)化了高比容量Si納米顆粒的導(dǎo)電性；同時(shí)，CNFs交聯(lián)形成的三維多孔結(jié)構(gòu)和良好的機(jī)械強(qiáng)度可以有效抑制Si納米顆粒的團(tuán)聚和體積膨脹，從而有效提升了電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。 種種結(jié)果都展現(xiàn)出CNFs在鋰離子電池負(fù)極材料中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

著錄項(xiàng)

相似文獻(xiàn)

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