铋纳米材料作为锂/钠离子电池负极材料的制备与性能研究

摘要

当铋用作电池负极材料时，其质量比容量为386mAhg-1，虽然只比石墨(372mAhg-1)高一点，但其拥有高的体积比容量(3765mAhcm-3)和比较合适的电压平台，且铋的层状结构有利于电化学过程中Li+/Na+的嵌入与脱出，上述优势使得越来越多的研究人员关注铋作为锂/钠离子电池负极材料的应用。然而，铋的导电性比较差，同时在锂离子嵌入脱出过程中会产生体积膨胀致使材料结构崩塌，这会导致材料粉化并脱落，材料的应用受限。目前主要通过碳包覆、材料纳米化以及结构创新来提升材料导电性和电化学性能。
　　本论文结合水热法和碳化来制备Bi/GA复合材料。首先采用水热法得到花状的硫化铋，随后将花状的硫化铋与石墨烯进行非原位复合得到Bi2S3/GA复合材料，最后将所得复合材料高温碳化得到Bi/GA复合材料。研究表明，硫化铋是由直径约10nm的纳米线组成的，复合后每个花瓣均由石墨烯均匀的包覆。碳化后复合材料的微观形貌没有变化，但是硫化铋被还原为Bi，且碳化过后硫的蒸发会产生空隙，有利于增强Bi/GA复合材料的电化学性能。
　　此外，本论文研究了在不同温度下碳化柠檬酸铋得到Bi/C复合材料。研究发现，Bi/C复合材料由Bi纳米颗粒与碳组成的，颗粒的直径均小于50nm，且700℃条件下得到的材料展示了碳具有类石墨烯的形式。电化学测试表明，当将其用作锂离子电池负极时，在100mAg-1条件下，600℃得到的Bi/C复合材料在经过150次循环之后放电比容量能达到607mAhg-1。
　　本论文最后设计了一种新颖的材料结构，利用静电纺丝法成功制备柔性自支撑Bi/CNFs膜纳米复合材料。结构测试表明，铋块表面包覆了聚合物基碳且由碳纳米纤维牵引，材料具有很好的柔性和快速导电子通道。当将所得的Bi/CNFs用于锂离子电池负极时，Bi/CNFs-1表现出良好的电化学性能，在100mAg-1条件下，经过200次循环比容量为484mAhg-1，即使升到1Ag-1时，放电比容量仍为242mAhg-1。而当Bi/CNFs-1用于钠离子电池负极时，在50mAg-1时，经过100次循环后放电比容量为186mAhg-1。此种制备方法具有操作方便、低能耗和无污染等优势，为制备自支撑、无粘结剂复合电极材料提供了新的思路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的介绍

1．2．1 锂离子电池发展的概述

1．2．2 锂离子电池的工作原理及特点

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 碳基负极材料

1．3．2 金属氧化物材料

1．3．3 合金材料

1．4 铋基负极材料

1．4．1 Bi作为锂离子电池负极材料的研究

1．4．2 Bi2S3作为锂离子电池负极材料的研究

1．4．3 Bi2O3作为锂离子电池负极材料的研究

1．4．4 其他铋基材料作为锂离子电池负极材料的研究

1．5 钠离子电池的介绍

1．5．1 钠离子电池的发展概述

1．5．2 Bi作为钠离子电池负极材料的研究进展

1．6 静电纺丝制备柔性电极材料的概述

1．7 本论文的研究目的，内容和意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料及试剂

2．2 实验设备及仪器

2．3 实验设计思路与方案

2．4 材料的物理化学表征

2．4．1 X射线衍射(XRD)分析

2．4．2 微观形貌表征及能谱分析

2．4．3 热失重(TG)表征分析

2．5．1 电极制备

2．5．2 纽扣式半电池的组装

2．5．4 交流阻抗(EIS)测试分析

2．5．5 充放电测试分析

第三章 Bi/石墨烯气凝胶复合材料的制备与表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 Bi2S3/GA及Bi/GA复合材料的结果与讨论

3．3．1 材料物相分析

3．3．2 材料微观结构分析

3．3．3 材料微观结构分析

3．3．4 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 Bi/C复合材料的制备与表征

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 材料物相分析

4．3．2 材料微观结构分析

4．3．3 材料微观结构分析

4．3．4 热失重分析

4．3．5 Bi/C复合材料拉曼分析

4．3．7 电化学性能分析

4．4 本章小结

第五章 柔性、自支撑Bi/CNFs复合材料膜的制备与表征

5．1 引言

5．2 实验过程

5．3 结果与讨论

5．3．1 材料物相分析

5．3．2 材料微观结构分析

5．3．3 材料微观结构分析

5．3．4 拉曼分析

5．3．5 热失重分析

5．3．6 X射线光电子能谱表征分析

5．3．7 电化学性能分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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