锂离子电池正极材料硫化镍的研究

摘要

现今传统化石燃料过度开发及消耗引起的能源危机以及环境污染问题越来越受到人们的关注，开发环境友好、可持续发展的储能设备具有十分重要的现实意义。锂离子电池具有诸多优点，作为一项革新技术替代了传统能源，并被广泛使用，成为人们生活中必不可少的发明。在现如今商业应用的锂离子电池正极材料中，容量普遍偏低，且各种材料都存在一定局限，在物质飞速发展的如今，这很难满足人们对锂离子电池高容量、长循环寿命的需求。在锂离子电池的性能改善中，开发具有高比容量的新型电极材料，尤其是正极材料，是非常重要的。而过渡金属硫化镍具有较高的理论容量和较低廉的原料成本，而被认为是具有研究价值的锂离子电池正极材料；然而，过渡金属硫化镍导电性不高(于碳材料或合金材料等相比)以及循环寿命差等缺点，这使得其在锂离子电池中的应用受到诸多限制。目前多采用制备多样化的纳米结构的材料、碳材料复合材料或者是与导电基底结合来改善其性能。　　本文主要阐述了锂离子电池的发展、结构、工作原理、电极组成及其研究方法等内容；详细介绍了目前商业化的几种正极材料及其合成方法、本实验中要用到的仪器试剂设备及材料表征方法。　　本文主要利用简单的水热法优化合成硫化镍产物。采用两步水热法，先合成绣球花状氢氧化镍微球前驱体，然后再经过水热硫化，在前躯体微球基础上生成具有纳米结构的硫化物微球，并对材料进行物理表征、电化学性能测试，然后再选择体系较为常见的泡沫镍集流体，制备出泡沫镍负载硫化镍复合材料，并探究了水热温度、时间、前躯体量对材料的电化学性能的影响。　　本研究得出的结论如下：实验成功制备了泡沫镍负载硫化镍正极材料；组装成扣式电池测量，在1 A/g的电流密度下，初始容量可高达1450 mAh/g，后续容量维持在1000 mAh/g；材料的充放电效率较高，但稳定性不佳，即使对其进行掺杂，其循环稳定性也不高。通过对水热法制备复合材料中的各个因素分析比较，得出最佳条件为：反应温度160℃，反应时间6 h，前躯体用量20 mg。

目录

1 绪 论

1.1锂离子电池

1.1.1锂离子电池的发展及现状

1.1.2锂离子电池的结构及工作原理

1.2锂离子电池正极材料研究进展

1.2.1钴酸锂LiCoO2

1.2.2镍酸锂LiNiO2

1.2.3 Li-Mn-O系列材料

1.2.4尖晶石型磷酸铁锂LiFePO4

1.2.5三元材料LiNixCoyM1-x-yO2

1.3选题意义及研究内容

2 实验部分

2.1实验试剂与材料

2.2实验仪器与设备

2.3.1实验流程

2.3.2模拟半电池的组装

2.4材料表征方法

2.4.1 X-射线衍射分析

2.4.2场发射扫描电子显微镜

2.5.1循环伏安法

2.5.2恒流充放电及循环性能测试

2.5.3电化学阻抗谱

3 结果与讨论

3.1硫源的影响

3.1.1不同硫源的实验结果

3.1.2合成材料的表征

3.2集流体的影响

3.2.1铝箔

3.2.2泡沫镍

3.3水热制备Ni3S2/Ni的电化学特性

3.4二次水热制备Ni3S2/Ni的表征与电化学行为

3.4.1 Ni(OH)2前躯体含量的影响

3.4.2水热反应温度的影响

3.4.3水热反应时间的影响

3.5添加物对制备Ni3S2/Ni的影响

4 结论与展望

4.1结论

4.2展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢