锂离子电池负极材料(Nb2O5及FeNbO4)的制备及其电化学性能

摘要

近年来，锂离子电池已经成功的应用于电动汽车（EVs）和混合型电动汽车（HEVs）等大功率交通工具，因此，动力电池材料的开发逐步引起了人们相当大的兴趣。其中，其能量密度、功率密度和安全性能等因素决定了电动汽车及混合式电动汽车的发展速度。与 Li4Ti5O12相比， Nb2O5具有相似的嵌脱锂电位（1.2-1.6 V）和更高的比容量(200 mAh?g-1)，还展现出了良好的高温循环稳定性能，但是，其导电率较低(σ≈3×10-6 S·cm-1)，故本文的工作分为以下三部分:⑴分别以蔗糖和蛋清为碳源，通过溶胶凝胶法制备了 Nb2O5@碳复合材料；⑵通过水热法合成了掺杂铁(Ⅲ)的Nb2O5；⑶铌酸铁（FeNbO4）及FeNbO4/rGO复合材料的电化学性能。具体内容如下：
　　⑴通过溶胶凝胶法制备了Nb2O5纳米材料。研究了不同的煅烧温度对其形貌和结构的影响，并探讨了其电化学性能的差异。结果表明，正交型Nb2O5具有良好的倍率性能及优异的循环稳定性能。为了提高其倍率性能，分别用蔗糖和蛋清包覆Nb2O5得到Nb2O5@C、Nb2O5@NC，碳层抑制了 Nb2O5颗粒生长，保证了充放电时 Li+快速脱嵌，并且形成一个连续的导电网络。另外，氮的掺杂造成碳结构的缺陷。在100 mA·g-1电流密度下，Nb2O5@NC放电比容量可达到328 mAh·g-1，在2 A·g-1的大倍率下，的放电容量为193.7 mAh·g-1，经过1000次的循环后，容量保持率高达93.5％。
　　⑵通过水热法制备了Fe（III）掺杂的Nb2O5，探讨了铁Fe（III）的掺杂分别对其晶型、形貌及电化学性能的影响。其中，正交晶型 Fe0.4Nb2O5自组装成微纳米球结构，提高了其活性物质的利用率进而提高了其容量。50 mA·g-1电流密度下首次放电比容量为325 mAh·g-1，即使在大的电流密度下5 A·g-1，容量仍可保持在108.4 mAh·g-1。该结构拥有粗糙的表面并且具有丰富的多孔结构，有利于增大电极材料与电解液的接触面积。当热处理温度升高（950 oC）转变成四方晶型。50 mA·g-1电流密度下首次放电比容量为365 mAh·g-1，在5 A·g-1电流密度下,容量仍可保持在88.4 mAh·g-1。Fe(III)掺杂的Nb2O5的循环稳定性和倍率性能得到了明显改善，表明可以作为有前途的高倍率性能的负极材料。
　　⑶以氨水作为PH调节剂和氮源，通过一步水热法制备了 FeNbO4/rGO复合材料，其中，氧化石墨烯的水热还原的过程伴随着 FeNbO4纳米花状颗粒的生长同时进行。并详细对比讨论了 FeNbO4/rGO复合材料、FeNbO4及高温固相法合成的块状 FeNbO4三者的电化学性能。FeNbO4/rGO复合材料在300 mA?g-1电流密度按下1000次放电比容量逐渐稳定在377.8 mAh?g-1，仅有7%的容量损失。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的发展及工作原理

1.3 锂离子电池负极材料

1.4 Nb2O5及FeNbO4的研究进展

1.5 本论文的研究的内容和目的

第二章 五氧化二铌及掺氮碳包覆五氧化二铌纳米颗粒的制备与其在锂离子电池中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 Nb2O5结果与讨论

2.4 Nb2O5@C及Nb2O5@NC复合材料的结果与讨论

第三章 水热合成掺Fe(III)的五氧化二铌及其在锂离子电池中的应用

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 正交晶系的五氧化二铌结果与讨论

3.4 单斜晶系的五氧化二铌结果与讨论

3.5 小结

第四章 水热法制备铌酸铁及铌酸铁/还原石墨烯复合材料的电化学性能的研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文