锂离子电容器Nb2O5负极材料研究

摘要

锂离子电容器是一种新型的电化学储能器件，正极采用双电层电容器多孔碳材料，负极采用嵌入型锂离子电池负极材料，因而兼具电池和电容器的双重特性。与锂离子电池相比，其具有更高的功率密度和更稳定的循环性能，与双电层电容器相比，其具有更高的能量密度。目前，锂离子电容器存在的最大问题是正负极之间不平衡的反应动力学，寻找一种高功率型的负极材料是解决此问题的关键。与Li4Ti5O12、TiO2等传统的锂电负极相比，具有赝电容行为的过渡金属氧化物五氧化二铌(Nb2O5)，可为锂离子提供二维传输通道，同时具有高的理论比容量(200 mAh g-1)和相对低的工作电压(1.0～1.5 V vs Li+/Li)等优点，然而较低的电子导电率(3×10-6 S cm-1)使其具有较差的倍率性能。本论文尝试将Nb2O5微纳化，并与高电导率碳材料结合，旨在缩短离子传输路径、提高导电性，制备具有高容量和高功率的锂离子电容器用Nb2O5负极材料。主要研究内容如下：
　　(1)采用反溶剂法结合高温煅烧制备了具有微纳结构的Nb2O5球，SEM和TEM观察表明，球的尺寸大约在400~600 nm之间，由更小的纳米颗粒组成，颗粒的尺寸大小约为50 nm。电化学测试表明，这种Nb2O5球在倍率性能和循环稳定性都有明显的提高。在0.5 C倍率下，Nb2O5微纳米球的放电比容量是83 mAh g-1。以Nb2O5为负极，活性炭(由花生壳为原料制成)为正极构建了非对称锂离子电容器，其工作电压范围是0.5~3.0 V，在功率密度为5250 W kg-1时，相对应的能量密度是10.4 Wh kg-1。
　　(2)以有序介孔碳（CMK-3）为模板，采用纳米铸造技术合成了Nb2O5/CMK-3纳米复合材料。CMK-3不仅可以提高电子导电率，还可以抑制高温煅烧过程中Nb2O5纳米颗粒的团聚。研究结果表明，Nb2O5/CMK-3纳米复合材料电极在1 C下循环50次后，容量依然保持在167 mAh g-1，几乎没有衰减；在10 C下其放电比容量达96.6 mAh g-1。构建的Nb2O5/CMK-3//PSC非对称锂离子电容器，在功率密度是8750 W kg-1时，能量密度达到了24.4 Wh kg-1。
　　(3)以酚醛树脂为碳源，F127为软模板，NbCl5为铌源，一步自组装生成 Nb2O5/介孔碳复合材料，与需要先制备硬模板 CMK-3的前实验方法相比，该方法简单易行，且环境友好。研究结果表明，在10 C倍率下，放电比容量高达112.5 mAh g-1，Nb2O5/介孔碳复合材料具有优异的倍率性能。与活性炭组装成锂离子电容器后，能量密度可达42.4 Wh kg-1，在电流密度为1 A g-1下，经过2000次循环后，容量保持率可达80％。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电容器的简介

1.3 锂离子电容器的研究进展

1.4 锂离子电容器Nb2O5负极材料的研究进展

1.5 本课题研究的意义及主要内容

第二章 Nb2O5微纳球的反溶剂法制备及其锂离子电容器性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第三章 Nb2O5/CMK-3复合材料的制备及其锂离子电容器性能

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第四章 Nb2O5/介孔碳复合材料的一步自组装法制备及其锂离子电容器性能

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