钒系化合物锂离子电池负极材料的合成及电化学性能

论文摘要

随着全球能源消耗量的持续增长，以及石油和煤炭等化石资源日趋枯竭，能源问题已经上升到国家安全战略高度。为了21世纪人类能够持续地发展，节能减排已经成为国际社会的共识，因此，研究和开发出清洁廉价、环境友好和可再生的绿色能源已成为极为重要的课题。而锂离子电池具有高电压、高能量密度、高比功率等优点，是一种优良的可再生资源，可以为解决能源问题提供一条行之有效的途径。但商业上的锂离子电池仍然存在一些问题，如大电流放电性能差、比容量低、环境污染等问题，因此研究开发新型锂离子电池电极材料具有重要的理论意义和实际意义。本论文的主要研究内容和结果归纳如下：（1）以ZnO、Li2CO3、V2O5为原料，采用固相法合成出纯相的LiZnVO4，将其作为负极材料应用于锂离子电池，测试其电化学性能，并对其结构和性能的关系进行了初步探讨。研究发现，这种电极材料在大电流密度（1Ag-1）条件下，首次放电比容量为824mAhg-1，70次循环后，仍保持314mAhg-1的放电比容量，具有良好的循环稳定性。当将LiZnVO4电极作倍率放电性能测试，发现电流密度在1Ag-1和8Ag-1之间变化时，此电极材料具有良好的放电倍率性能。电流密度增加到8Ag1时，稳定循环的放电比容量达到111mAhg1，60次循环后，重新回到1Ag1的电流密度时，放电比容量仍可达330mAhg1。本文还利用XRD、TEM等测试手段研究了充放电之后的电极材料的结构变化，以探讨结构和性能的关系。（2）以CoCl2和NH4VO3为原料，在模板剂CTAB作用下，采用简单的水热法合成出Co2V2O7-CTAB复合物纳米带。利用XRD、TG、IR、SEM、TEM等测试手段对合成产物进行了形貌和微观结构的表征、分析，发现所合成的纳米带结晶度很高。根据实验结果，进一步探讨了纳米带的形成机理。将所得产物用作为锂离子电池的负极材料，测定了其电化学性能，发现Co2V2O7-CTAB复合物纳米带电极首次放电比容量高达1287mAhg-1，经过20次循环后，仍能保持400mAhg-1的放电比容量，显示了其高的放电比容量和良好的循环稳定性，Co2V2O7-CTAB复合物纳米带作为锂离子电池的负极材料的具有潜在的应用价值。（3）以CaCl2和NH4VO3为原料，采用简单的水热法通过调节不同的pH值合成出纯相的CaV2O6和Ca2V2O7。将所得产物用作为锂离子电池的负极材料，发现CaV2O6电极的首次放电比容量达705mAhg-1，20次循环后仍能保持的374mAhg-1放电比容量。但是，Ca2V2O7电极比容量衰减较快，首次放电比容量为618mAhg-1，20次循环后只有102mAhg-1的放电比容量。二者之间电化学性能的差别主要由晶体结构差异所致。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 锂离子电池发展概况
• 1.2 锂离子电池的工作原理
• 1.3 锂离子电池的特征
• 1.4 锂离子电池正极极材料的研究进展
• 1.4.1 正极材料的选择依据
• 1.4.2 几种常见的正极材料
• 2（M=Co、Ni）'>1.4.2.1 LiMO₂（M=Co、Ni）
• 1.4.2.2 锰的氧化物
• 4'>1.4.2.3 LiFePO₄
• 1.4.3 锂离子电池正极材料的研究方向
• 1.5 锂离子电池负极极材料的研究进展
• 1.5.1 锂离子负极材料的选择依据
• 1.5.2 几种常见的负极材料
• 1.5.2.1 锂负极材料
• 1.5.2.2 碳负极材料
• 1.5.2.3 含锂过渡金属氮化物
• 1.5.2.4 过渡金属氧化物
• 1.5.2.5 锡基负极材料
• 1.5.2.6 合金类负极材料
• 1.5.2.7 钒系化合物负极材料
• 1.5.3 锂离子电池负极材料的研究方向
• 1.6 锂离子电池电极材料合成方法
• 1.6.1 水热法
• 1.6.1.1 水热法的简介
• 1.6.1.2 水热法的特点
• 1.6.1.3 水热法的研究现状
• 1.6.2 溶胶－凝胶法
• 1.6.3 化学气相沉积法（CVD）
• 1.6.4 机械球磨法
• 1.6.5 高温固相法
• 1.7 本论文的选题依据和研究内容
• 1.7.1 本论文的选题依据
• 1.7.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 实验
• 2.1 实验仪器和实验试剂
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验试剂
• 2.2 样品的合成（见相应的章节）
• 2.3 样品的表征
• 2.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜表面形貌分析（SEM）
• 2.3.3 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.4 热分析（TG/DTA）
• 2.3.5 傅立叶红外光谱（FTIR）
• 2.3.6 电化学性能分析
• 4的合成及电化学性能'>第三章 LiZnVO₄的合成及电化学性能
• 3.1 引言
• 4的合成与表征'>3.2 LiZnVO₄的合成与表征
• 4的合成'>3.2.1 LiZnVO₄的合成
• 4表征与性能测试'>3.2.2 LiZnVO₄表征与性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 3.3.2 结构分析
• 3.3.3 电镜分析（SEM）
• 3.3.4 电化学性能研究
• 3.4 本章小结
• 2V₂O₇-CTAB 复合物的合成和电化学性能'>第四章 一维结构 Co₂V₂O₇-CTAB 复合物的合成和电化学性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 2V₂O₇-CTAB 复合纳米带的合成'>4.2.1 Co₂V₂O₇-CTAB 复合纳米带的合成
• 4.2.2 样品的表征与性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 影响产物形貌的因素
• 4.3.1.1 模板剂的影响
• 4.3.1.2 CTAB 浓度的影响
• 4.3.1.3 反应时间的影响
• 4.3.2 透射电镜（TEM）分析
• 4.3.3 傅立叶变换红外光谱分析（FT-IR）
• 4.3.4 热重分析（TGA）
• 4.3.5 复合物纳米带的形成机理探讨
• 4.3.6 电化学性能研究
• 4.4 本章小结
• 2O₆和 Ca₂V₂O₇及电化学性能'>第五章 水热合成 CaV₂O₆和 Ca₂V₂O₇及电化学性能
• 5.1 引言
• 2O₆和 Ca₂V₂O₇合成与表征'>5.2 CaV₂O₆和 Ca₂V₂O₇合成与表征
• 2O₆和 Ca₂V₂O₇的合成'>5.2.1 CaV₂O₆和 Ca₂V₂O₇的合成
• 2O₆和 Ca₂V₂O₇的表征与性能测试'>5.2.2 CaV₂O₆和 Ca₂V₂O₇的表征与性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 5.3.2 结构分析
• 5.3.3 电化学性能研究
• 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
• 个人简历