發(fā)布時間：2020-11-15 19:47

　　 具有高能量密度、長循環(huán)壽命、高安全性且無記憶效應(yīng)的鋰離子電池作為最具潛力的儲能裝置之一,成功占據(jù)了便攜式電子市場。然而隨著電子產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快以及電動汽車和大規(guī)模儲能電站的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)鋰離子電池的性能已經(jīng)無法滿足市場需求,開發(fā)具有更高能量密度和功率密度的鋰離子電池成為了當(dāng)前能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。與此同時,鈉離子電池因其較低廉的成本也引起了人們的興趣。而開發(fā)高性能的負(fù)極材料是提升電池性能的重要環(huán)節(jié)。過渡金屬硫?qū)倩�合物具有典型的層狀結(jié)構(gòu),Li/Na離子在層間快速的脫嵌,提供較大的比容量和優(yōu)異的倍率性能。而過渡金屬磷化物具有較低的電壓平臺以及較高的比容量,故這兩類物質(zhì)被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ呢?fù)極材料。然而電化學(xué)過程中的體積膨脹以及較低的導(dǎo)電率限制了它們的應(yīng)用。本論文通過多種方法,對過渡金屬硫?qū)倩�合物和過渡金屬磷化物進(jìn)行改性,提高其儲鋰/鈉性質(zhì)。第一章系統(tǒng)介紹了鋰/鈉離子電池的發(fā)展過程及工作原理。根據(jù)儲能機(jī)制的不同概括負(fù)極材料的特點(diǎn),然后著重闡述了過渡金屬硫?qū)倩�合物和過渡金屬磷化物的研究現(xiàn)狀,最后簡單介紹了本論文的研究背景和內(nèi)容。第二章對本論文中使用的試劑、儀器以及表征方法做了概述。第三章通過固相反應(yīng)法和PDDA輔助法合成了表面包覆還原氧化石墨烯的一維NbSe3納米帶(NbSe3@rGO)。石墨烯一方面提高了材料的導(dǎo)電性,另一方面起到緩沖層的作用,緩解了電化學(xué)過程引起的NbSe3的體積膨脹,提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電化學(xué)測試結(jié)果表明NbSe3@rGO的儲鋰性質(zhì)顯著提高。此外,本章針對石墨烯含量對于復(fù)合材料的電化學(xué)性能的影響進(jìn)行了相應(yīng)研究。第四章我們利用靜電紡絲和硒化處理成功制備了自支撐的WSe2/C復(fù)合納米纖維。三維互聯(lián)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)給離子擴(kuò)散提供了足夠的通道,而C材料的引入增加了體系的導(dǎo)電性,抑制了 WSe2的團(tuán)聚和堆積,提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因此材料的儲鋰/鈉的能力得到了顯著提升。尤其是在鋰離子電池中,WSe2/C的比容量顯著增加,展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和超長的循環(huán)壽命(25A/g的大電流密度下穩(wěn)定循環(huán)10000圈,比容量為257mAh/g)。原位透射電子顯微鏡實時監(jiān)測了單根納米纖維在鋰離子脫嵌過程中的形貌變化,證明了電化學(xué)過程中WSe2/C存在較小的體積膨脹。第五章我們利用靜電紡絲和后續(xù)的磷化處理將Cu3P和Co2P兩種過渡金屬磷化物同氮摻雜碳材料復(fù)合,合成自支撐的Cu3P-Co2P/N-C復(fù)合納米纖維。此樣品綜合利用不同化合物的優(yōu)勢以及相互之間的協(xié)同效應(yīng),提高材料的儲鋰/鈉性質(zhì)。在鋰離子電池中,樣品在5A/g的電流密度下工作2000圈,能夠獲得316.9mAh/g的比容量,展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。第六章對本論文的創(chuàng)新和不足之處做了簡單總結(jié),并對今后的研究做出展望。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TM912
【部分圖文】：

?第１章緒論???ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，?ＳＩＢｓ）在大規(guī)模儲能領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的潛力。但是，鈉離子的半徑（１．０２Ａ）??大于鋰離子半徑（０．７６Ａ），導(dǎo)致其在電極材料中脫嵌時受到更大的阻力，離子擴(kuò)??散速率較慢，隨之造成的體積膨脹也更大［１３＿１５］。諸多成熟的ＬＩＢｓ負(fù)極體系在ＮＩＢｓ??中表現(xiàn)不佳，因此開發(fā)高性能的鈉離子電池負(fù)極材料同樣成為了新能源領(lǐng)域的研??宄熱點(diǎn)。??ｉ?ｉ??１０ｓ．?————————?—??；ＰＭｄｄ?ｓｐｉｒａｌ?Ｗｏｕｎｄ?Ｕｌｔｒａｆａｓｔ?Ｃｈａｒｇｉｎｇ?Ｚｏｎｅ?賬??０?２０?４０?６０?８０?ｌ��？?１２０?１４０?１６０?１８０?２００?２４０?２５０?２６０??Ｓｐｅｃｉｆｉｃ?Ｅｎｅｒｇｙ?Ｗｆｙｋｇ??圖１．１不同電池類型的比能量和比功率的對比圖。??表１．１金屬鋰和鈉的性質(zhì)對比??金屬?鋰（Ｌｉ）?鈉（Ｎａ）??相對原子質(zhì)量（ｇ／ｍｏｌ）?６．９?２３??離子半徑（Ａ）?０．７６?１．０２??標(biāo)準(zhǔn)電勢（Ｖ?ｖｓ?ＳＨＥ）?－３．０４?－２．７１??比容量（ｍＡｈ／ｇ）?３８６２?１１６６??２??

夠?qū)㈦娔芤曰瘜W(xué)能的形式儲存??起來，并最終以電能形式釋放。這一類的電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜??四部分構(gòu)成。高分子隔膜具有電子絕緣性和離子導(dǎo)通性，能夠允許鋰／鈉離子快??速通過，同時隔絕電子的傳輸，有效的防止了正負(fù)極直接接觸導(dǎo)致的短路現(xiàn)象，??有助于提高電池的安全性。鋰離子電池的隔膜材料一般為聚丙烯膜，但是聚丙烯??膜的孔隙率較小，難以令具有更大半徑的鈉離子嵌入，故鈉離子電池中所用的隔??膜為具有更大孔隙率的玻璃纖維等。??以ＬｉＣｏ〇２／Ｃ體系為例，鋰離子電池的工作過程如圖１．２所示。電池的充放??電過程實際上就是鋰離子在正負(fù)極之間作往返運(yùn)動的過程。充電時，鋰離子從正??極ＬｉＣ〇０２材料中脫出，正極變成貧鋰狀態(tài)，然后鋰離子經(jīng)由電解液、隔膜輸運(yùn)??至負(fù)極側(cè)并嵌入石墨負(fù)極之中，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，與此同時，外電路中發(fā)生了??電子自正極向負(fù)極的遷移。放電時，負(fù)極材料中嵌入的鋰離子脫出并向正極移動，??正負(fù)極分別處于富鋰和貧鋰狀態(tài)，而儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后輸出。通過鋰離??子在正負(fù)極之間的往返運(yùn)動，化學(xué)能與電能之間相互轉(zhuǎn)化。反應(yīng)方程式如下：??總反應(yīng)式：ＬｉＣｏ０２?＋?６ＣＨ?１＾－５＾００２?＋ＬｉｘＣ６?（１．１）??正極：ＬｉＣｏ０２?（１．２）??負(fù)極：６Ｃ?＋?ｘｅ＿＋ｘＬｆ＋＜￣？ＬｆｘＣ６?（１．３）??放電?＾??正極?負(fù)極??—???Ｉ??￣ｗＢＳｓ?？＾?￣￣??Ｂｕｉ＃?—？會＿??卜??Ａｌ?Ｃｕ??０?＃?Ｃｏ?＾?Ｌｉ參?石墨???圖１．２鋰離子電池的工作原理示意圖。??４??

?第１章緒論???Ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ??ｌｉ＊??ｍ＆ｍ??ｇ；忍說?Ｄｉｓｃｈｍｅ?Ｃｂａｉ＾ｃ??畫＼、曬??ｙ４ｓ＾ｍ＼??ｍｘ２?’?ｌｉｍｘ２?、?ｍｘ２??（Ｃａｒｂｏｎａｃｅｏｕｓ?ａｎｄ?Ｔｉｔａｎｉｕｍ?ｏｘｉｄｅｓ）??Ａｉｉ〇ｙ?＾?ｌｉ＾??－ｘＨ＼?Ｖ??Ｍ?ＬＩ，Ｍ?Ｍ??（Ｍ?＝?Ｓｉ，?Ｇｅ，?Ｓｎ，?Ｓｂ，?ｅｔｃ．，?ａｎｄ?Ｓｉ／Ｓｎ－ｂａｓｅｄ?ｏｘｉｄｅｓ）??Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ?ｒ?，ｒ??Ｓ＇二攀觀?Ｓ??ＭＸ?Ｌｉ２Ｘ?＋?Ｍ?ＭＸ??（Ｍ?＝?Ｆｅ，?Ｃｏ，?Ｎｉ，?Ｍｎ，?Ｃｕ，?Ｃｒ，?Ｍｏ，?ｅｔｃ．，?ａｎｄ?Ｘ?＝?０，?Ｐ，?Ｓ，?Ｎ）??圖１．３鋰離子電池中負(fù)極材料的三種嵌鋰機(jī)制叫。??１．４．１嵌入型負(fù)極材料??常見的嵌入型負(fù)極材料可分為碳基和鈦基兩種，也是商業(yè)化電池中最常見的??兩類材料。??６??
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 劉夢;;鋰離子電池硅基負(fù)極材料的發(fā)展趨勢[J];化工管理;2015年02期

2 葉利強(qiáng);符冬菊;馬清;陳建軍;;鋰離子電池硅基負(fù)極材料粘結(jié)劑的研究進(jìn)展[J];電池;2014年04期

3 米宏偉;吳雙泉;朱培洋;劉劍洪;;鋰離子電池硅-碳負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2013年17期

4 黃志東;李子坤;楊書展;任建國;黃友元;賀雪琴;;高容量鋰離子電池硅基負(fù)極材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J];炭素技術(shù);2020年03期

5 邱珅;吳先勇;盧海燕;艾新平;楊漢西;曹余良;;碳基負(fù)極材料儲鈉反應(yīng)的研究進(jìn)展[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2016年03期

6 梁浩然;張文岑;;鋰離子電池銻基負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2009年29期

7 高宏權(quán),王紅強(qiáng),李慶余,呂保林,黃有國;鋰離子電池超高容量負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J];礦冶工程;2005年05期

8 周向陽,胡國榮,彭忠東,劉開宇,劉業(yè)翔;鋰離子電池碳負(fù)極材料的研究進(jìn)展[J];電池;2001年03期

9 馬軍旗,胡成秋;提高鋰離子電池炭負(fù)極材料性能的表面處理方法[J];炭素技術(shù);2000年05期

10 張莉;趙學(xué)波;;鋰離子電池硅基負(fù)極材料表面和界面調(diào)控的研究進(jìn)展[J];遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報;2020年04期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李靜;過渡金屬化合物負(fù)極材料的合成及其儲能性質(zhì)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2020年

2 唐校福;鋰離子電池硅碳負(fù)極材料的制備改性及電化學(xué)性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

3 劉暢;瀝青基鋰/鉀離子電池負(fù)極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能研究[D];大連理工大學(xué);2019年

4 趙俊鋒;生物質(zhì)碳基鋰電池負(fù)極材料的制備及性能研究[D];南京大學(xué);2019年

5 張苗;球磨法制備鋰/鈉離子電池磷基負(fù)極材料[D];華南理工大學(xué);2019年

6 林成;鋰/鈉/鉀離子電池磷化物負(fù)極材料的設(shè)計與電化學(xué)性能[D];華南理工大學(xué);2019年

7 潘齊常;基于金屬硫/硒化合物微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其儲鈉性能研究[D];華南理工大學(xué);2019年

8 方姍;高容量Si/Ge基負(fù)極材料的可控制備及其嵌鋰性質(zhì)研究[D];南京航空航天大學(xué);2018年

9 李波;硅碳復(fù)合負(fù)極材料的設(shè)計合成及儲能研究[D];上海交通大學(xué);2018年

10 閆春爽;新型鈷基負(fù)極材料的制備及儲鋰性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 張雷;鋰離子電池新型碳基負(fù)極材料的制備及改性研究[D];青島科技大學(xué);2014年

2 高翔;鋰離子電池錫負(fù)極材料在不同嵌鋰狀態(tài)下的力學(xué)性能研究[D];湘潭大學(xué);2016年

3 郭丙如;鈉離子電池碳硒復(fù)合負(fù)極材料的制備及其性能研究[D];深圳大學(xué);2019年

4 陳煥輝;過渡金屬氧化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究[D];深圳大學(xué);2019年

5 劉佑林;新型Li_2TiO_3-碳負(fù)極材料的研究[D];湖南大學(xué);2019年

6 周贊;酚醛樹脂基硬炭負(fù)極材料的制備及其結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能研究[D];湖南大學(xué);2019年

7 廖星;鋰離子電池氧化亞硅/碳負(fù)極材料的制備與改性研究[D];湖南大學(xué);2019年

8 劉文;碳包覆的納米硅基負(fù)極材料的設(shè)計、制備及其鋰離子電池性能研究[D];華南農(nóng)業(yè)大學(xué);2018年

9 王曉曉;鋰（鈉）離子電池負(fù)極材料的制備及改性研究[D];廈門大學(xué);2019年

10 高鵬遠(yuǎn);碳基金屬氧化物納米晶復(fù)合負(fù)極材料的制備與儲鋰性能[D];中南民族大學(xué);2019年

本文編號：2885133