高容量电极材料的制备及其电化学性能研究

摘要

锂离子电池和超级电容器是储能的两个重要方向，它们的电化学性能和能量密度决定着它们今后的道路。然而，目前的储能电极材料一方面在具有高容量的同时，它的电化学循环和倍率容量性能却很差，需要进行改性处理;另一方面电极材料的电化学性能和储能容量和它的形貌有着密切的关系，实现电极材料的形貌最优化制备对提升电极材料电化学性能和能量密度有着重要意义。
　　1.金属氧化物的理论储锂容量比较高，是石墨的2-3倍，但是它的循环性能却很差，需要进行改性处理。可充电锂离子二次电池的电化学性能主要和脱嵌锂电极中Li的固相扩散动力问题以及材料表面特性相关。我们以油酸为碳源，发明了一种新颖的制备氧化镍/碳复合纳米片的技术，这种以油酸为碳源，氧化镍纳米片为前驱体制备的NiO@C复合材料在50次循环后仍然展现出883mAhg-1的可逆容量，大大改善了NiO在充放电过程中的循环衰减问题和倍率问题，制备了一种高能量密度且循环性能优异的锂电负极材料，并在实验中比较了两种不同碳包覆效果对材料的影响，对碳包覆表面改性处理方式的差异提供了重要依据。
　　2.我们研究了羟磷铁锂结构LiFe(PO4)(OH)xF1-x分层微球的形貌-变量的电化学性能，包括壳结构和中空结构的创建。实验结果表明材料的电化学性能会随着其形貌的改变而明显变化。与其它颗粒相比，由纳米棒和多孔微球组成的羟磷铁锂微球表现出优异的电化学性能，这可以归因于锂离子扩散途径被缩短，材料比表面积增大。据我们所知，这是第一次就形貌对可很好定义结构的羟磷铁锂电极材料的电化学活性的影响进行系统的研究。这种易于实现的合成不同形貌羟磷铁锂材料的方法能为进一步研究羟磷铁锂结构LiFe(PO4)(OH)xF1-x形状-变量材料的电化学性能研究提供一个有趣的平台。
　　3.硅是自然界储锂容量最高的，但同时它的循环性能很差。我们从材料结构设计入手，合成了一种柔性外壳包裹弹性内核的核壳结构的石墨烯包裹单颗粒硅纳米结构。通过对纳米硅进行化学修饰，实现纳米硅与氧化石墨烯的自组装，然后采用环保的维生素C（抗坏血酸）在微波辅助下还原氧化石墨烯，形成石墨烯包裹单颗粒纳米硅复合材料。利用石墨烯的高比表面积、良好导电性和多孔结构来抑制硅在脱嵌锂过程中的体积膨胀，提高其电化学性能。通过对它的电化学性能研究和与纯硅性能的对比验证了石墨烯的包覆能有效改善硅的循环性能和倍率性能，为制备高能量密度硅基材料提供了思路。
　　4.为了进一步验证材料的颗粒大小和形貌对储能材料电化学性能的影响，我们利用简单的静电纺丝后空气退火的方法制备出一维(1D)多孔ZnCo2O4纳米管(PNTs)并首次应用于超级电容器(SCs)，并与ZnCo2O4纳米颗粒的超电容性能做了系统的对比研究，实验证明这种一维多孔ZnCo2O4纳米管的比容量、循环性能以及倍率性能等明显优于ZnCo2O4纳米颗粒。我们的一系列实验证明通过改变材料的形貌确实可以实现优化电化学性能的目的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池

1．2．1 锂离子电池简介以及发展趋势

1．2．2 锂离子电池的工作原理、结构

1．2．3 锂离子电池正负极材料的研究进展

1．3 超级电容器

1．3．1 超级电容器的概述、历史

1．3．2 超级电容器的分类与原理

1．3．3 超级电容器电极材料的研究进展

1．4 本文的内容及意义

第2章 LiFe(PO4)(OH)0．5F0．5微球的制备及其储锂性能的研究

2．1 前言

2．2 实验

2．2．1 实验试剂及药品

2．2．2 固体羟磷锂铁石型LiFe(PO4)(OH)0．5F0．5微球的制备

2．2．3 羟磷锂铁石型LiFe(PO4)(OH)0．5F0．5中空微米球的制备

2．2．4 性能表征

2．2．5 电化学测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 结构表征

2．3．2 内部空间的形成

2．3．3 电化学性能

2．4 本章小结

第3章 选择性碳包覆技术制备碳／氧化镍复合纳米片作为锂电负极材料的研究

3．1 前言

3．2 实验

3．2．1 β-Ni(OH)2，NiO，NiO@C-1和NiO@C-2的制备

3．2．2 性能表征

3．2．3 电化学测试

3．3 结果和讨论

3．4 本章小结

第4章 微波还原法制备石墨烯包裹硅颗粒和电化学研究

4．1 前言

4．2 实验

4．2．1 石墨烯包裹硅颗粒的制备

4．2．2 性能表征

4．2．3 电化学测试

4．3 结果和讨论

5．4 本章小结

第5章 多孔钴酸锌纳米管的简易制备以及在超级电容器上的应用

5．1 前言

5．2 实验

5．2．1 实验试剂及药品

5．2．2 静电纺丝制备1D ZnCo2O4纳米材料

5．2．3 ZnCo2O4纳米颗粒的制备

5．2．4 ZnCo2O4电极的制备

5．2．5 性能表征

5．2．6 电化学测试

5．3 结果和讨论

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的论文

致谢