绿色锂离子动力电池材料的应用研究

摘要

随着汽车尾气中NOx、 PM2.5等环境污染问题的日益严重，人们迫切需求开发绿色动力电池系统。锂离子电池因其高能量密度和高功率密度而成为绿色动力电池的首要选择。在传统的锂离子电池材料中，层状的氧化钴锂材料(LiCoO2)由于钴资源的稀缺和毒性以及高温条件下较差的安全性等问题，使得该材料在动力电池的应用成本增大。而橄榄石型的磷酸铁锂(LiFePO4)材料因其低的能量密度，很难满足下一代动力电池的需求。因而开发新型的、环境友好的锂离子动力电池材料越来越受到大家的亲睐。本论文主要以发展绿色锂离子动力电池材料为中心，设计和制备了一系列高性能的富锂锰基锂离子电池层状正极材料，并考察了其在锂离子电池中应用。本论文的主要内容包括以下两部分:
　　（一）表面梯度钠离子掺杂对于提高富锂材料动力学性能的研究
　　通过在氯化钠熔融条件下，基于钠离子在高温下的热力学浓差梯度的扩散，实现钠离子在富锂材料表面的梯度掺杂。利用钠离子在结构中的钉扎效应来维持材料结构的稳定、改进材料的动力学性能，进而提高富锂材料的倍率性能以及循环稳定性能。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)，球差校正透射电镜(STEM)以及电化学技术对材料微观形貌，晶体结构，表面组成进行了细致的研究，并且测试其作为锂离子正极材料电化学性能。该材料在0.1C电流密度下放电比容量可达285 mAh g-1，首圈库伦效率高达87％，并且倍率性能优越，在电流密度为0.2C、0.5C、1C和2C下的放电比容量分别为265 mAh g-1、236 mAh g-1、215 mAh g-1以及185 mAh g-1。并且在0.2C下，循环100圈后，境容量保持在-233 mAh g-1，具有很好的循环稳定性。
　　（二）基于KCl/Na2CO3熔融盐条件下富锂材料的制备及其性能研究
　　采用共沉淀的方式，合成形貌均匀的碳酸盐前驱体，将碳酸盐煅烧成氧化物后，与化学计量比的碳酸锂、碳酸钠以及氯化钾混合后于高温下煅烧，得到钠离子掺杂的并且具有大量结构缺陷的富锂材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、电化学技术对富锂材料进行了研究，得到高比容量、倍率性能优异以及循环稳定的富锂材料。该材料在0.1C(1C=250 mAg-1)下放电容量可达270mAh g-1，首圈库伦效率84％，倍率性能优越，0.2C、0.5C、1C、2C、4C下放电容量分别为252mAh g-1、230mAh g-1、200mAh g-1、180mAh g-1以及130 mAh g-1。材料在0.5C下循环100圈后，容量保持率92％。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 能源与环境安全概述

1．2 清洁能源与储能器件

1．2．1 清洁能源及其存储

1．2．2 电化学储能器件

1．3 锂离子电池

1．3．1 锂离子电池的工作原理与基本特点

1．3．2 锂离子电池的基本结构

1．3．3 锂离子电池正极材料

1．3．4 层状富锂正极材料

1．4 本论文的研究意义和内容

第2章 表面梯度钠离子掺杂对于提高富锂材料动力学性能的研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 材料合成

2．2．3 材料的结构表征

2．2．4 材料的电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 扫面电子显微镜结果

2．3．2 X射线晶体衍射结果

2．3．3 X射线光电子能谱结果

2．3．4 原位X射线晶体衍射表征

2．3．5 球差矫正透射电子显微镜表征

2．3．6 电化学性能

2．3．7 电化学阻抗谱

2．3．8 完全充电态下球差矫正透射电子显微镜

2．4 小结

第3章 基于KCl／Na2CO3熔融盐条件下富锂材料的制备及其性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂

3．2．2 材料合成

3．2．3 材料的结构表征

3．2．4 材料的电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 扫描电子显微镜结果

3．3．2 X射线晶体衍射与球差透射电镜

3．3．3 电化学性能

3．3．4 电化学交流阻抗谱

3．4 小结

结论

参考文献

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致谢