水溶液可充锂电池正极材料充放电过程及其机理的研究

论文摘要

能源是支撑人类文明进步的物质基础,是现代社会发展不可或缺的基本条件。作为人类生存和发展的重要物质基础,煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而,化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗,使化石能源正在逐渐走向枯竭；从另一方面来看,由于化石能源的使用过程中会新增大量温室气体CO2,同时也产生了一些有污染的烟气,威胁全球生态。因而,开发更清洁的可再生能源是今后发展的方向。风能、太阳能等是这些新型可再生能源的代表,也是当今各个国家关注的热点。然而这些能源的输出强烈地依赖于自然条件,有些情况下与能量需求不匹配,因此需要一个可以削峰填谷的储能系统,在用电低谷时将电存储起来,用电高峰时再将电送出去,达到平衡电力负荷的目的。水溶液可充锂电池（简称为“水锂电”）安全无毒、长循环寿命、高功率、低成本使得它成为短距离电动汽车和太阳能、风能发电站的最合适的能量储存和转化装置之一。目前对水溶液可充锂电池正极材料的研究比较广泛,但是对于其电化学行为的研究还远远不够。因此,本论文利用电化学石英晶体微天平,对水溶液可充铿电池的几种正极材料进行了电化学行为的研究,并且合成了一种集多种优点于一身的磷酸铁锂/碳纳米管复合材料用于水溶液可充锂电池。并对其进行了一系列的表征,测试了其在水溶液电解质中的电化学性能,主要内容包括：首先利用电化学石英晶体微天平,对水溶液可充锂电池的几种正极材料进行了电化学行为的研究,通过Sauerbrey公式的计算得到,在锂盐电解质水溶液中,LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4三种材料在充放电过程中都与其在有机电解液一样进行着Li+的脱出和嵌入。然后通过模板法,合成了磷酸铁锂/碳纳米管复合材料,并对其电化学性能进行了研究,SEM结果显示为三维有序大孔结构,TEM结果清晰地显示了碳层的包覆和碳纳米管的掺杂。通过对比在水溶液中的电化学性能发现,复合材料在500mA g-1、1000mA g-1、2000mA g-1、5000 mA g-1、10000 mA g-1的电流密度下的放电容量分别高达114mAh g-1、110mAh g-1、105mAh g-1、99mAh g-1、94mAh g-1,显示出较好的倍率性能,这主要是碳纳米管和包覆碳层使材料本身电子导电性明显提高,三维多孔的结构使电解液更具浸润性,而组成孔壁的纳米粒子缩短了离子传递的路径,这样就加速了电荷转移反应,因此更有利并加快了大电流密度下锂离子的嵌入和脱出,从而使磷酸铁锂/碳纳米管复合材料表现出优异的倍率性能。在随后的快充慢放测试中,固定以3C的放电电流密度,以120 C、300 C、600 C不同的充电电流密度下进行充电,更加体现了材料的超快速充电性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池的发展
• 1.2.1 锂离子电池概述
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的优点和不足
• 1.3 水溶液可充锂电池的发展
• 1.3.1 水溶液可充锂电池的提出
• 1.3.2 水溶液可充锂电池的理论基础
• 1.3.3 水溶液可充锂电池的研究进展
• 1.4 本论文的研究目的、意义及具体内容
• 1.4.1 水溶液可充锂电池的工作机理
• 1.4.2 水溶液可充锂电池电极材料的设计
• 本章小结
• 参考文献
• 第2章 实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 实验药品
• 2.3 实验仪器
• 2.4 电极材料的结构、组成和形貌分析
• 2.4.1 X-射线粉末衍射（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 热重分析仪和差热分析（TGA & DTA）
• 2.4.5 能谱仪（EDS）
• 2.4.6 电化学石英晶体微天平（EQCM）
• 2.5 电化学石英晶体微天平的测试
• 2.5.1 极片的制备
• 2.5.2 循环伏安测试
• 2.5.3 充放电测试
• 2.6 材料的电化学性能测试
• 2.6.1 极片的制备
• 2.6.2 循环伏安测试
• 2.6.3 充放电测试
• 2.6.4 交流阻抗测试
• 参考文献
• 第3章 水溶液可充锂电池正极材料充放电过程研究
• 3.1 引言
• 3.2 钻酸锂充放电过程的研究
• 3.2.1 钴酸锂材料的制备
• 3.2.2 钴酸锂材料的CV-EQCM曲线
• 3.2.3 钴酸锂材料在水溶液中的电化学行为分析
• 3.3 锰酸锂充放电过程的研究
• 3.3.1 锰酸锂材料的制备
• 3.3.2 锰酸锂材料的充放电-EQCM曲线
• 3.3.3 锰酸锂材料在水溶液中的电化学行为分析
• 3.4 磷酸铁锂充放电过程的研究
• 3.4.1 磷酸铁锂材料的选择
• 3.4.2 磷酸铁锂材料的CV-EQCM曲线
• 3.4.3 磷酸铁锂材料的充放电-EQCM曲线
• 3.4.4 磷酸铁锂材料在有机溶液中的电化学行为分析
• 本章小结
• 参考文献
• 第4章 多孔磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的合成及其电化学性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 多孔磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的合成
• 4.3 多孔磷酸铁锂/碳纳米管复合材料碳含量的测定
• 4.4 多孔磷酸铁锂/碳纳米管复合材料的结构和形貌
• 4.5 多孔磷酸铁锂/碳纳米管复合材料在水溶液中的电化学性能
• 4.5.1 循环伏安测试
• 4.5.2 交流阻抗测试
• 4.5.3 充放电性能测试
• 4.5.4 快充慢放性能测试
• 4.5.5 循环性能测试
• 本章小结
• 参考文献
• 第5章 总结与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 附录 攻读硕士学位期间科研成果
• 致谢