基于有机凝胶和多孔硅的锂离子电池阳极材料的制备和性能研究

摘要

该论文从两类处于材料科学前沿领域的材料--有机气凝胶和多孔硅出发,制备了用作锂离子电池阳极材料的碳气凝胶、干凝胶以及多孔硅材料,研究了它们的储锂性能和充放电行为,并分析了合成条件对其作为阳极材料性能的影响.(1)从合成间苯二酚-甲醛有机凝胶出发,制备了碳干凝胶和气凝胶,研究了其作为锂离子电池碳阳极材料的储锂性能,探讨了碳材料制备过程中的热分解温度、催化剂用量、反应物含量等条件对碳干凝胶和气凝胶储锂行为的影响,并分析了碳材料结构与储锂性能的关系以及充放电过程,也简单探讨了锂离子在这类基于有机凝胶的多孔碳材料中的存储机制.(2)通过利用含氮、含硅单体合成氮、硅元素均匀掺杂的有机凝胶,以及在前体合成中均匀引入Cd、Ce和Zr金属元素的方法,制备了氮、硅及Cd、Ce和Zr均匀掺杂的多孔碳阳极材料,考察了这种掺杂碳阳极材料的储锂性能和充放电过程,分析了掺杂元素水平对碳材料结构,从而对其储锂行为的影响,并进一步分析了基于有机凝胶的多孔碳阳极材料的储锂机制.(3)利用阳极氧化法在单晶硅基底上制备了多孔硅自支撑膜,并首次将这种具有连续多孔结构的硅材料用作了锂离子电池的阳极材料,考察了这种纳米级硅阳极的储锂性能和充放电过程,分析了材料结构对其储锂行为的影响;另一方面,利用这种电池充放电过程在多孔硅中电化学引入了不同点缀程度的轻金属锂元素,考察了锂点缀对多孔硅自身结构,及至性质所带来的影响,提供了一种通过电化学方法插入锂离子从而连续调整多孔硅发光性质的有效方法.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1有机气凝胶研究简介

1.1.1气凝胶简介

1.1.2有机气凝胶研究概况

1.1.3有机气凝胶的制备

1.1.4有机气凝胶结构及表征

1.1.5特性与应用

1.2多孔硅研究简介

1.2.1多孔硅研究简史

1.2.2阳极氧化法制备多孔硅

1.2.3多孔硅光致发光机制

1.2.4多孔硅的应用研究

1.3锂离子电池研究简介

1.3.1概述

1.3.2锂离子电池组成与工作原理

1.3.3正极材料

1.3.4负极材料

1.3.5电解质

1.3.6锂在碳材料中的可逆高储存机理

1.3.7锂离子电池容量衰减的机制

1.4本论文的研究目的及内容

参考文献

第2章基于间苯二酚甲醛有机凝胶的碳阳极材料

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂

2.2.2实验仪器

2.2.3实验方法

2.3表征、测试方法及仪器装置

2.3.1形貌表征

2.3.2结构表征

2.3.3 X射线衍射分析

2.3.4 BET测试

2.3.5电学性能测试

2.4结果与讨论

2.4.1形貌分析

2.4.2结构分析

2.4.3 X射线衍射分析

2.4.4 BET及孔径分析

2.4.5 CRF干凝胶的充放电性能分析

2.4.6 CRF气凝胶的结构与充放电性能分析

2.5本章小结

参考文献

第3章基于掺杂有机凝胶的碳阳极材料

3.1前言

3.2实验试剂

3.3实验仪器

3.4表征方法及仪器设备

3.4.1形貌表征

3.4.2结构表征

3.4.3元素分析

3.4.4 BET测试

3.4.5电学性能测试

3.5基于含氮有机凝胶的碳阳极材料

3.5.1基于三聚氰胺甲醛有机凝胶的碳阳极材料

3.5.2基于间苯二酚-三聚氰胺-甲醛复合有机凝胶的碳阳极材料

3.5.3基于间氨基酚-甲醛有机凝胶的碳阳极材料

3.6基于含硅有机凝胶的碳阳极材料

3.6.1间苯二酚-二氧化硅有机无机复合凝胶的制备

3.6.2结果与分析

3.7基于金属元素掺杂的碳阳极材料

3.7.1金属掺杂碳干凝胶的制备

3.7.2金属掺杂碳干凝胶的结构分析

3.8本章小结

参考文献

第4章基于多孔硅的锂离子电池阳极材料

4.1前言

4.2实验方法

4.2.1试剂及装置

4.2.2多孔硅材料的制备

4.2.3多孔硅电极的制备

4.3表征、测试方法及仪器装置

4.3.1多孔度的表征

4.3.2多孔硅纳米粒径的表征

4.3.3形貌表征

4.3.4 X射线衍射分析

4.3.5光致发光分析

4.3.6拉曼光谱分析

4.3.7电学性能测试

4.4结果与讨论

4.4.1多孔硅膜的多孔度与纳米硅粒的大小

4.4.2形貌分析

4.4.3多孔硅电极的充放电性能分析

4.4.4锂离子的嵌入对多孔硅结构及性质的影响

4.5本章小结

参考文献

主要结论

攻读硕士学位期间整理论文

致谢