水热反应法合成锂离子电池电极材料及其性能分析

摘要

液态锂离子电池自1990年开发成功以来，由于具有比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染、无记忆效应等独特的优势，现已广泛用于多种用电器中，基于此本研究采用水热反应方法合成了三种锂离子电池电极材料。采用TGA、XRD、SEM、TEM、XPS、氮气吸附脱附等表征手段以及室温恒流充放电、交流阻抗和循环伏安等电化学测试方法，考察了不同的水热制备工艺对合成电极材料的性能影响。研究内容主要包括以下几部分:
　　1.四氧化三铁/碳纳米复合材料的制备及电化学性能分析。采用水热反应方法，碱性条件下合成了粒径在20nm以内的碳包覆四氧化三铁纳米复合材料，并探讨了甲醛和巯基苯酚原料比例、溶液pH值、烧结气氛、烧结时间及巯基苯酚的加入等工艺条件对该电极材料形貌及电化学性能的影响。
　　2.钛酸锂及其复合材料的制备及电化学性能分析。通过水热反应及后续热处理，合成了钛酸锂、钛酸锂/石墨烯、钛酸锂/铁(Ⅲ)纳米复合材料。石墨烯掺杂量为10mg时，电极材料10C首次放电比容量为160.9mAh/g，充放电100次循环后仍有120mAh/g的比容量;钛酸锂/铁(Ⅲ)纳米复合材料在10C充放电50次循环后仍有150 mAh/g的比容量。钛酸锂的复合电极材料展示了较高的倍率快速充放电性能及很好的电化学循环性能。
　　3.五氧化二钒/氧化锡/碳纳米管复合材料的制备及电化学性能分析。利用水热反应方法合成V2O5-SnO2/CNTs多孔纳米复合材料电极，该电极将纳米化及碳管导电网络结构设计结合在一起，具有良好的循环稳定性，倍率性能显著优于商业V2O5电极。该电极在100mA/g电流密度下，首次放电比容量可达250mAh/g。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池发展简史

1．2．2 锂离子电池的工作原理

1．2．3 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 金属锂及其合金

1．3．2 碳材料

1．3．3 氧化物负极材料

1．4 Fe3O4／C、Li4Ti5O12及V2O5电极材料的研究进展

1．4．1 Fe3O4／C复合材料的研究进展

1．4．2 Li4Ti5O12负极材料的研究进展

1．4．3 V2O5正极材料的研究进展

1．5 研究目的、创新性及主要研究内容

1．5．1 研究目的及创新性

1．5．2 主要研究内容

第2章 四氧化三铁／碳纳米复合材料的制备及性能研究

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 Fe3O4／C纳米复合材料的合成与结构表征

2．2．1 水热合成FexOy-polymer纳米复合材料

2．2．2 高温焙烧合成Fe3O4／C复合材料

2．3 Fe3O4／C纳米复合材料的电化学应用

2．3．1 电池组装过程

2．3．2 纽扣电池的电化学性能测试

2．3．3 Fe3O4／C纳米复合材料电池的电化学性能测试

2．4 巯基苯酚对Fe3O4／C复合材料形貌及电化学性能的影响

2．4．1 巯基苯酚对水热合成FexOy-polymer纳米复合材料形貌的影响

2．4．2 巯基苯酚对Fe3O4／C复合材料的电化学性能的影响

2．5 本章小结

第3章 Li4Ti5O12及其复合材料的制备及性能研究

3．1 实验试剂与仪器

3．2 Li4Ti5O12的合成与表征

3．2．1 前驱体(Li1．81H0．19)Ti2O5·2H2O纳米片的制备

3．2．2 Li4Ti5O12的合成及锂离子电池应用

3．3 钛酸锂／石墨烯复合材料的合成

3．3．1 原位合成钛酸锂／氧化石墨烯(LTO／GO)纳米复合材料

3．3．2 原位合成钛酸锂／石墨烯(LTO／RGO)纳米复合材料

3．4 钛酸锂／石墨烯纳米复合材料的电化学性能研究

3．5 钛酸锂／铁(Ⅲ)复合材料的合成与电化学性能研究

3．5．1 原位合成钛酸锂／铁(Ⅲ)纳米复合材料

3．5．2 钛酸锂／铁(Ⅲ)纳米复合材料的电化学性能研究

3．6 本章小结

第4章 多孔V2O5-SnO2／CNTS纳米复合材料的制备及性能研究

4．1 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料的合成

4．1．1 多壁碳纳米管的预处理

4．1．2 MWCNTs与SnO2复合材料的合成

4．1．3 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料的合成

4．2 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料的表征与实验结果讨论

4．2．1 混酸处理MWCNTs对复合材料形貌的影响

4．2．2 MWCNTs与SnO2复合材料形貌及结构表征

4．2．3 空气气氛下360℃热处理的意义

4．2．4 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料中SnO2的枢纽作用

4．2．5 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料的形貌及结构表征

4．2．6 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料中碳含量分析

4．3 V2O5-SnO2／CNTs纳米复合材料的电化学性能

4．3．1 充放电窗口对电极充放电电压平台及比容量的影响

4．3．2 V2O5-SnO2／CNTs电极与商业V2O5电极电化学性能的比较

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文