纳米复合化对锂离子电池NiO负极材料电化学性能的改善

论文摘要

本论文的主要研究内容是针对锂离子电池NiO负极材料首次不可逆容量较高、循环性能较低等问题,对NiO材料进行纳米复合改性。通过制备NiO/Ni和Li0.68Ni1.32O2/Ag纳米复合材料、网状多孔和球状多孔NiO/C纳米复合材料、泡沫镍负载球状多孔NiO/Ag纳米复合材料、泡沫镍负载网状多孔NiO/Ag、NiO/PEDOT和NiO/PANI纳米复合薄膜,以提高锂离子电池NiO负极材料的首次库仑效率和循环稳定性。采用煅烧法制备了NiO/Ni纳米原位复合材料。由于纳米Ni颗粒提高了首次充电反应的反应进度并同时提高了材料的导电性,NiO/Ni纳米复合材料的首次库仑效率为71%,高于纯NiO材料的65%;在100 mA g-1的电流密度下NiO/Ni纳米复合材料循环50周后的容量为640 mAh g-1,也高于纯NiO材料的360 mAh g-1。采用固相法对NiO进行Li2O掺入而制备了Li0.68Ni1.32O2材料,并进一步结合化学镀银法制备了Li0.68Ni1.32O2/Ag纳米复合材料。由于Li2O提高了首次充电反应的反应进度,Li0.68Ni1.32O2材料的首次库仑效率达到73%,高于纯NiO材料的65%,但它在100 mAg-1电流密度下循环40周后的容量仅360 mAh g-1。而Li0.68Ni1.32O2/Ag纳米复合材料的导电性得到了改善,它的首次库仑效率为72%,在同样电流密度下循环40周后的容量为570 mAh g-1。采用微波加热均相沉淀、煅烧、水热相结合的方法制备了网状多孔NiO/C纳米复合材料。网状多孔NiO材料在0.1C、0.5C和1C的电流密度下均表现出比颗粒状NiO材料更高的首次容量,但它在0.1C的电流密度下循环40周后的放电容量仅180 mAh g-1。而NiO/C复合材料的导电性获得了改善,而且网状结构更加稳定,在0.1C的电流密度下循环40周之后的放电容量达430 mAh g-1。采用煅烧与水热相结合的方法制备了球状多孔NiO/C纳米复合材料。在较高的倍率下充放电时,球状多孔NiO/C复合材料表现出比球状多孔NiO材料更高的首次容量,并表现出更小的极化,它在0.5C的电流密度下循环40周之后的容量还保持在430 mAhg-1,高于球状多孔NiO材料的200 mAh g-1,这都归因于碳对材料导电性的改善。采用电沉积、煅烧、化学镀银相结合的方法制备了泡沫镍负载球状多孔NiO/Ag纳米复合材料。通过与Ag复合提高了材料的导电性,将材料的首次库仑效率从48%提高到59%,将材料在100 mA g-1的电流密度下循环40次后的放电容量由290 mAh g-1提高到490 mAh g-1。采用化学水浴沉积法制备了泡沫镍负载网状多孔NiO纳米薄膜,并分别继续通过化学镀银、电沉积方法制备了泡沫镍负载网状多孔NiO/Ag、NiO/PEDOT和NiO/PANI纳米复合薄膜。泡沫镍负载网状多孔NiO纳米薄膜的首次库仑效率为70%,在0.5 A g-1和1.5 A g-1的电流密度下循环50周之后的放电容量分别为490 mAh g-1和350 mAh g-1。NiO/Ag纳米复合薄膜的导电性得到改善,它在0.5 A g-1、1.5 A g-1和3 A g-1电流密度下循环50周之后的放电容量分别提高到550 mAh g-1、450 mAh g-1和420 mAh g-1。网状多孔NiO/PEDOT纳米复合薄膜的导电性也得到了改善,在1 C和2 C下循环50周之后的放电容量分别提高到475 mAh g-1和470 mAh g-1。NiO/PANI纳米复合薄膜不仅导电性得到了改善,而且网状多孔结构变得更加稳定,它在1 C和2 C下的循环50周之后的放电容量分别提高到520 mAh g-1和430 mAh g-1。

论文目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 锂离子电池的研发意义

1.2 锂离子电池简介

1.2.1 锂离子电池的发展历史

1.2.2 锂离子电池的工作原理

1.2.3 锂离子电池的结构

1.2.4 锂离子电池的优缺点

1.2.5 锂离子电池的电极材料

1.3 锂离子电池非碳负极材料的研究进展

1.3.1 锂离子电池锡基负极材料

1.3.2 锂离子电池硅基负极材料

1.3.3 锂离子电池3d过渡金属氧化物负极材料

1.3.4 锂离子电池其它负极材料

1.4 本论文的立题依据及研究内容

2 实验方法

2.1 材料制备

2.1.1 化学试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 材料表征

2.2.1 X射线衍射分析（XRD）

2.2.2 扫描电子显微分析（SEM）

2.2.3 透射电子显微分析（TEM）

2.2.4 傅立叶变换红外光谱分析（FTIR）

2.2.5 电感耦合等离子体质谱分析（ICP-MS）

2.2.6 热重/差热分析（TG/DTA）

2.3 电极片制作

2.4 电池装配

2.5 电化学性能测试

2.5.1 恒流充放电测试

2.5.2 循环伏安测试（CV）

2.5.3 电化学阻抗谱测试（EIS）

3 NiO/Ni纳米原位复合材料的电化学性能

3.1 材料的制备

3.2 煅烧温度对NiO材料电化学性能的影响

3.3 与纳米Ni原位复合对材料电化学性能的改善

3.4 本章小结

0.68Ni_1.32O₂/Ag纳米复合材料的电化学性能'>4 Li_0.68Ni_1.32O₂/Ag纳米复合材料的电化学性能

4.1 材料的制备

4.2 Li含量对锂镍复合氧化物材料首次库仑效率的影响

0.68Ni_1.32O₂材料的电化学性能'>4.3 Li_0.68Ni_1.32O₂材料的电化学性能

4.4 与纳米Ag复合对材料循环性能的改善

4.5 本章小结

5 多孔性NiO/C纳米复合材料的电化学性能

5.1 网状多孔NiO/C纳米复合材料

5.1.1 网状多孔NiO纳米材料的制备与表征

5.1.2 网状多孔形态对材料电化学性能的影响

5.1.3 与碳复合对材料循环性能的改善

5.2 球状多孔NiO/C纳米复合材料

5.2.1 球状多孔NiO/C纳米复合材料的制备

5.2.2 球状多孔NiO/C纳米复合材料的结构及形貌分析

5.2.3 与碳复合对材料电化学性能的改善

5.3 本章小结

6 泡沫镍负载多孔性NiO、NiO/Ag、NiO/PEDOT及NiO/PANI纳米复合材料的电化学性能

6.1 泡沫镍负载球状多孔NiO/Ag纳米复合材料

6.1.1 球状多孔NiO/Ag复合材料的制备

6.1.2 球状多孔NiO/Ag复合材料的结构与形貌分析

6.1.3 与纳米Ag复合对材料电化学性能的改善

6.2 泡沫镍负载网状多孔NiO纳米结构薄膜

6.2.1 网状多孔NiO薄膜的制备

6.2.2 网状多孔NiO薄膜的结构和形貌分析

6.2.3 网状多孔形态对材料电化学性能的影响

6.3 泡沫镍负载网状多孔NiO/Ag纳米复合薄膜

6.3.1 网状多孔NiO/Ag复合薄膜的制备

6.3.2 网状多孔NiO/Ag复合薄膜的结构和形貌分析

6.3.3 与纳米Ag复合对材料电化学性能的改善

6.4 泡沫镍负载网状多孔NiO/PEDOT纳米复合薄膜

6.4.1 网状多孔NiO/PEDOT复合薄膜的制备

6.4.2 网状多孔NiO/PEDOT复合薄膜的结构和形貌分析

6.4.3 与PEDOT复合对材料电化学性能的改善

6.5 泡沫镍负载网状多孔NiO/PANI纳米复合薄膜

6.5.1 网状多孔NiO/PANI复合薄膜的制备

6.5.2 网状多孔NiO/PANI复合薄膜的结构和形貌分析

6.5.3 与PANI复合对材料电化学性能的改善

6.6 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 本论文创新之处

7.3 展望

参考文献

作者简历和在学期间完成的论文与专利

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