纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料的制备及电化学性能的研究

摘要

随着科学技术的不断进步，传统的化石燃料所提供的动力已经无法达到工业生产的种种要求，因此，可再生能源渐渐被开发和利用，并且逐步代替了传统化石燃料，被应用于各行各业。为了实现可再生能源的规模化应用，高效稳定的储能装置亟待研究和开发，其中，锂离子电池携带方便，使用时安全可靠，已经在机动车、通讯、航空、家用等众多领域实现应用。然而，传统的锂离子电池一般采用石墨作为负极材料，它的理论容量较低，无法满足诸如电动汽车、混合动力汽车等领域对电源装置的更高需求，阻碍了锂离子电池这一行业的进步，因此，针对性能更佳的锂离子电池负极替代品的研发意义重大。
　　本课题围绕新型锂离子电池负极材料的合成展开研究，采用溶剂热法和化学浸渍法等方法合成了多种纳米尺寸复合材料，有效综合了几种不同类型的锂离子电池的负极材料各自的优势，弥补它们的缺陷，发挥协同效果，显著提高了锂离子电池的可逆循环容量，延长了电池的使用寿命。主要研究内容如下:
　　(1)利用溶剂热法并经过煅烧过程合成了多孔YiO2/Fe2YiO5纳米复合材料，通过扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线衍射、氮气吸附脱附等测试手段对所合成材料的表面形貌和物相组成作出了分析，该材料由尺寸约为30nm的纳米晶体连接形成了三维多孔结构，其中的TiO2和Fe2TiO5分布均匀，二者的摩尔比约为3∶1。将该材料用作锂离子电池的负极，采用恒流充放电等方式进行测试，测试结果展现了优异的电化学性能。恒流充放电结果显示，在电流密度为100mA g-1的测试条件下，电池的首次放电比容量为734.3mAh9-1，循环400次后，其可逆放电容量仍有440.8mAh g-1。与同样测试条件下的YiO2和Fe2O3/Fe2ZiO5相比，TiO2/Fe2TiO5表现出更为出色的循环性能和倍率性能，这是由于TiO2在其中起到了稳定结构的缓冲作用，而适量加入的铁元素有效提高了电极的理论容量，使合成所得的复合材料的循环性能和倍率性能更为出色。
　　(2)利用化学浸渍法制备得到SnO2/CNTs复合材料，通过扫描电子显微镜成像、透射电子显微镜成像、X射线衍射、热重分析等测试手段对样品的形貌、物相以及组成比例进行测试，复合材料中CNTs表面附着直径为2-5纳米的SnO2颗粒，SnO2占该复合材料总重量的10.9％。通过恒流充放电测试和倍率充放电测试的结果分析所制得的样品的锂电性能，在电流密度恒定为100mA g-1的条件下，样品的初次放电容量可达996.6mAh g-1，循环350次后，可逆容量仍可保持在751.1mAhg-1。与纯SnO2和CNTs样品相比，所合成的复合材料的可逆容量更高，循环寿命更长，这是由于SnO2材料的理论容量极高，而CNTs的加入，有效缓解了SnO2颗粒在电极反应中的体积膨胀，抑制了SnO2颗粒发生团聚，大幅延长了电池的循环寿命。

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摘要

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池的发展

1．2．2 锂离子电池的组成

1．2．3 锂离子电池的工作原理

1．3 锂离子电池负极材料的发展

1．3．1 层间嵌入类负极材料

1．3．2 合金类负极材料

1．3．3 转化反应类负极材料

1．3．4 锂离子电池负极材料研究进展

1．4 本课题的研究意义和主要内容

第2章 实验材料及表征手段

2．3 实验仪器

2．4 材料表征和分析

2．4．2 场发射扫描电子显微镜

2．4．3 高分辨透射电子显微镜

2．4．4 比表面积和孔隙分析

2．5．1 电极制备

2．5．2 实验电池的组装

2．5．3 电池性能测试

第3章 钛-铁复合纳米材料的制备及其电化学性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3．1 结构与物相分析

3．3．2 电化学性能分析

3．4 本章小结

第4章 氧化锡/碳纳米管复合材料的制备及其电化学性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 结构与物相分析

4．3．2 电化学性能分析

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

附录