锂离子电池纳米结构负极材料的研究

论文摘要

由于锂离子电池采用锂离子存贮材料取代金属锂,改善了锂电池由于枝晶生成所造成的安全隐患及循环性能差的缺点,并保留了锂电池高电压的优点,同时还兼具能量密度大,重量轻,体积小,循环寿命长,无记忆效应,环境友好等优点,近来发展较快。本论文就锂离子电池负极材料锡氧化物和尖晶石Li4Ti5O12及其与碳纳米管的复合电极材料进行了研究。主要工作分为以下两部分:（一）本部分采用水热法制备了纯相SnO和SnO2纳米负极材料,采用水热法制备了不同摩尔比的SnO/MWCNTs和SnO2/MWCNTs纳米负极材料。运用X射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）及电化学性能测试对合成材料进行表征和电化学性能研究。主要内容如下:1.纳米SnO和SnO2电极材料水热法合成、表征和电化学测试。X射线衍射谱图分析可知, SnO为Romarchite. Syn型,SnO2为锡石型。TEM测试表明产物为纳米结构。电化学测试表明水热法合成过程中加入PEG-400制备得到的SnO和SnO2负极材料的循环性较未加PEG-400制备得到的SnO和SnO2要好。2.水热法合成不同摩尔比的纳米SnO/MWCNTs复合电极材料。X射线衍射谱图表明水热法成功合成了纳米SnO/MWCNTs复合材料。TEM测试表明复合材料中的SnO为纳米棒,并均匀附着在MWCNTs表面,电化学测试表明碳纳米管的加入可以改善SnO的电化学性能。3.水热法合成不同摩尔比的纳米SnO2/MWCNTs复合电极材料。X射线衍射谱图表明水热法成功合成了纳米SnO2/MWCNTs复合电极材料。TEM测试表明复合材料中的SnO2为纳米粒子,大部分均匀附着在MWCNTs表面,少量进入MWCNTs管内,电化学测试表明复合材料的循环性能较好。（二）本部分采用微波法成功制备尖晶石Li4Ti5O12,并在此基础上研究对其进行多壁碳纳米管的复合改性。采用X射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）系统地研究了微波功率、辐射时间、锂源和反应物配比对合成Li4Ti5O12的影响,并采用电化学测试手段研究了微波法合成Li4Ti5O12的电化学性能。主要内容如下:1.在功率为500W和700W,时间为10min和15min,分别以LiOH·H2O和Li2CO3为锂源（锂源过量8%）探讨微波法合成纳米尖晶石Li4Ti5O12电极材料的条件。对样品进行XRD和FTIR测试分析,发现在700W,15min条件下可以合成较纯的尖晶石Li4Ti5O12,但由于锂源过量,合成样品中有少量Li2TiO3生成。TEM照片表明合成的样品为30nm左右的纳米粒子。对以Li2CO3为锂源在功率500W和700W,15min条件合成的样品进行电化学测试,合成的样品具有良好的循环性能。2.以LiOH·H2O和Li2CO3为锂源,微波法合成纯相尖晶石结构Li4Ti5O12电极材料。反应条件为功率700W,时间为15min。样品的XRD和FTIR测试分析表明,在此条件下可以合成纯相尖晶石Li4Ti5O12。TEM照片表明合成的样品为小于50nm左右的纳米粒子。分别对在此条件合成的样品在不同电流密度下进行电化学测试,结果表明合成的样品具有良好的循环性能。3.微波法合成不同摩尔比尖晶石结构Li4Ti5O12/MWCNTs复合电极材料。反应条件为在功率700W,时间15min,以Li2CO3为锂源。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 电池发展简史
• 1.2 锂离子电池的发展简史
• 1.3 锂离子电池的组成及工作原理
• 1.4 锂离子电池正极材料简介
• 2'>1.4.1 LiCoO₂
• 2'>1.4.2 LiNiO₂
• 2'>1.4.3 LiMnO₂
• 2O₄'>1.4.4 LiMn₂O₄
• 3O₈'>1.4.5 LiV₃O₈
• 4'>1.4.6 LiFePO₄
• 1.4.7 聚合物正极材料
• 1.5 锂离子电池负极材料
• 1.5.1 碳负极材料
• 1.5.1.1 石墨类碳材料
• 1.5.1.2 非石墨类碳材料
• 1.5.2 氮化物
• 1.5.3 硅基材料
• 1.5.4 合金类负极材料
• 1.5.4.1 Sn 基合金材料
• 1.5.4.2 Sb 基合金材料
• 1.5.5 锡基负极材料
• 1.5.5.1 锡氧化物
• 1.5.5.2 反应机理
• 1.5.5.3 锡氧化物的制备方法
• 1.5.5.4 锡氧化物改性
• 1.5.5.5 锡基复合氧化物
• 1.5.5.6 锡基复合氧化物的制备方法
• 1.5.6 锂钛氧化物
• 4Ti₅O₁₂ 的合成'>1.5.6.1 Li₄Ti₅O₁₂的合成
• 4Ti₅O₁₂ 的掺杂改性'>1.5.6.2 Li₄Ti₅O₁₂的掺杂改性
• 1.5.7 其他负极材料
• 1.6 论文写作目的及内容
• 2负极材料的制备改性及其电化学性能研究'>第二章 纳米SNO 和SNO₂负极材料的制备改性及其电化学性能研究
• 2负极材料'>第一节 水热法合成纳米SNO 和SNO₂负极材料
• 2.1.1 试验部分
• 2.1.1.1 实验所用试剂及仪器
• 2 和SnO 电极材料的合成'>2.1.1.2 纳米SnO₂ 和SnO 电极材料的合成
• 2.1.1.3 电极片的制备及电池的组装
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.1.2.1 XRD 结果分析
• 2.1.2.2 TEM 结果分析
• 2.1.2.3 电化学测试结果分析
• 2.1.3 结论
• 第二节 SNO/MWCNTS 复合电极材料的制备及其电化学性能的研究
• 2.2.1 实验部分
• 2.2.1.1 实验所用试剂及仪器
• 2.2.1.2 样品合成
• 2.2.1.3 电极片的制备及电化学性能测试
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.2.2.1 XRD 结果分析
• 2.2.2.2 TEM 结果分析
• 2.2.2.3 电化学测试结果分析
• 2.2.3 结论
• 2/MWCNTS 复合电极材料的制备及其电化学性能的研究'>第三节 SNO₂/MWCNTS 复合电极材料的制备及其电化学性能的研究
• 2.3.1 实验部分
• 2.3.1.1 实验所用试剂及仪器
• 2.3.1.2 样品合成
• 2.3.1.3 样品电极片的制备及电化学性能测试
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.3.2.1 XRD 结果分析
• 2.3.2.2 TEM 结果分析
• 2.3.2.3 电化学测试结果分析
• 2.3.3 结论
• 4TI₅O₁₂负极材料及其电化学性能研究'>第三章 微波法合成纳米尖晶石结构LI₄TI₅O₁₂负极材料及其电化学性能研究
• 4TI₅O₁₂的条件研究'>第一节 微波合成尖晶石LI₄TI₅O₁₂的条件研究
• 3.1.1 实验部分
• 3.1.1.1 实验所用试剂及仪器
• 3.1.1.2 样品的合成
• 3.1.1.3 样品电极片的制备及电化学性能测试
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.1.2.1 XRD 结果分析
• 3.1.2.2 FTIR 结果分析
• 3.1.2.3 TEM 结果分析
• 3.1.2.4 电化学测试结果分析
• 3.1.3 结论
• 4TI₅O₁₂ 的合成及电化学性能研究'>第二节 尖晶石结构LI₄TI₅O₁₂的合成及电化学性能研究
• 3.2.1 实验部分
• 3.2.1.1 实验所用试剂及仪器
• 3.2.1.2 样品的合成
• 3.2.1.3 样品电极片的制备及电化学性能测试
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.2.1 XRD 结果分析
• 3.2.2.2 FTIR 结果分析
• 3.2.2.3 TEM 结果分析
• 3.2.2.4 电化学测试结果分析
• 3.2.3 结论
• 4TI₅O₁₂/MWCNTS 复合材料的探索'>第三节 微波法合成尖晶石结构LI₄TI₅O₁₂/MWCNTS 复合材料的探索
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.1.1 实验所用试剂及仪器
• 3.3.1.2 样品的合成
• 3.3.1.3 样品电极片的制备及电化学性能测试
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.2.1 XRD 结果分析
• 3.3.2.2 EDX 能谱分析
• 3.3.2.3 电化学性能测试
• 3.3.3 结论
• 参考文献
• 结论与展望
• 在读期间发表及整理论文清单
• 致谢