锂离子电池锗基负极材料的制备及其储锂性质

摘要

商业化锂离子电池石墨负极材料的理论比容量只有372 mAh?g-1，无法满足人们对高能量和高功率电池日益增长的需求，因此必须研发可替代的高比容量负极材料。近年来，研究人员对IV A族元素进行了大量的研究。锗具有较高的理论比容量(1600 mAh?g-1)，并且有比硅更好的锂离子电导率(硅的400倍)和电子电导率(硅的104倍)。但锗在脱嵌锂过程中会产生巨大的体积变化，会导致活性物质的破碎、粉化，从集流体上脱离，造成循环过程中容量的迅速衰减。本论文通过引入三维导电网络、制备多孔材料、表面包覆等方法，改善锗基负极材料的电化学性能。主要研究内容包括：
　　(1)采用溶胶凝胶法制备了PVA/Ge@碳泡沫复合材料。将溶解有二氧化锗的水凝胶担载在三聚氰胺泡沫上，热处理得到碳泡沫负载掺氮碳-锗纳米颗粒复合材料。碳泡沫作为载体，有效防止了电极结构的坍塌，提高了材料的循环稳定性；三维的导电网络和氮掺杂碳使材料具有良好的导电性，显著提高了材料的倍率性能。在500 mA?g-1的电流密度下循环140圈，该复合材料仍拥有878.1 mAh?g-1的比容量保持。在6.4 A?g-1的大电流密度下，比容量依然高达645 mAh?g-1。
　　(2)采用溶剂蒸发法，以酚醛树脂为碳源，F127为软模板，制备了氮掺杂多孔碳均匀包覆锗纳米颗粒的复合材料。酚醛树脂在高温煅烧时形成了一个刚性的支撑，保证了多孔结构的完整性；锗纳米颗粒分散在酚醛树脂形成的碳层中，有效缓解了充放电过程中锗颗粒的团聚和破碎；复合材料的多孔结构增大了与电解液的接触面积，缩短了锂离子的扩散路径，且氮掺杂进一步提高了电子导电性，从而提高了复合材料的离子和电子的传输速率。该复合材料在500 mA?g-1的电流密度下循环190圈仍有900 mAh?g-1的比容量。同时在3.2和6.4 A?g-1的大电流密度下快速充放电，分别具有890，735 mAh?g-1的放电比容量。
　　(3)采用化学和物理的方法，对水热法制备的Zn2GeO4纳米棒进行包覆，分别制备了Zn2GeO4@PTh和Zn2GeO4@rGO复合材料。电化学测试结果表明， Zn2GeO4@rGO复合材料表现出较好的循环稳定性和倍率特性，主要是因为锗酸锌纳米棒均匀地穿插在石墨烯片中,阻止了石墨烯片层间相互堆垛，而石墨烯片之间相互连接，形成三维的空间导电网络，提高了材料的电子导电性。石墨烯片作为稳定的框架，有效缓冲了活性物质在脱嵌锂过程中产生的体积变化。Zn2GeO4@rGO复合材料500 mA?g-1电流密度下，充放电循环190圈后仍具有1180 mAh?g-1的比容量。且在1.6，3.2 A?g-1时，放电比容量分别为700，450 mAh?g-1。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池的发展和工作原理

1.3 锂离子电池负极材料简介

1.4 锗基负极材料的研究进展

1.5 本文研究的目的和主要内容

第二章 三聚氰胺泡沫骨架负载掺氮碳-锗的三维复合材料的制备及其电化学性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 氮掺杂多孔碳包覆纳米锗复合材料的制备及其电化学性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 聚噻吩/石墨烯修饰锗酸锌纳米棒复合材料的制备及其储锂性能

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