关键词： 锂离子   负极材料   锐钛矿型   静电纺丝   掺杂   石墨烯   莰烯   多孔  

摘要： 锂离子电池因轻质量、安全性高、能量密度高、使用寿命长等优异特点得到了很多关注,促进了负极材料的大量研究。其中不同晶型二氧化钛（Ti O2）由于其优异的理化性能和在锂离子电池中的潜在应用得到了瞩目。目前Ti O2是一种研究比较多,也是比较被看好的、有发展前景的负极材料,然而由于自身的缺点:较慢速率的Li+扩散和低的电导率,阻碍了Ti O2一步步发展,因此需要对此进行一定的改进。现在大多数人开始对Ti O2研究,例如在尺寸上制备成纳米尺寸,形貌结构的变化和掺杂等一系列的改变。本实验中采用了纳米结晶和造孔相结合的方法,来弥补上述的两种缺点,制备了多孔二氧化钛纳米纤维,后续又在这个原有基础上掺杂了一定量高导电剂石墨烯来制备复合材料。1、多孔二氧化钛纳米纤维电极材料的制备与研究这项研究旨在通过以莰烯为造孔剂用静电纺丝的方法合成多孔的锐钛矿型Ti O2纳米纤维来实现两种策略的结合。多孔锐钛矿型Ti O2纳米纤维作为LIBs的负极材料,通过添加适当含量的莰烯从而表现出优异的电化学性能。结果表明,具有12wt.%的莰烯的锐钛矿型Ti O2纳米纤维的比表面积是72 m2·g-1比没有莰烯的Ti O 2纳米纤维的比表面积(61 m2·g-1)要高。而且具有12 wt.%的莰烯的锐钛矿型Ti O 2纳米纤维电极,有着最初的放充电比容量为518.71/294.99 m Ah·g-1,比无莰烯负载的Ti O2放充电比容量的(305.56/114.68 m Ah·g-1)高。此外,具有12 wt.%的莰烯的锐钛矿型Ti O2纳米纤维电极由于在100圈循环后获得21.7%的较高保留率而表现出出色的循环性能。同时,具有12 wt.%的莰烯的锐钛矿型Ti O2纳米纤维电极当倍率从0.5 C增加到10 C并恢复到0.5 C时,它在放电的情况下容量可以回到145.71 m Ah·g-1,说明材料的可逆性能很好。电化学性能的明显改善就是应归因于低的电荷转移电阻（Rct）和因为高比表面积而获得的Li+的高传输速率。2、石墨烯包覆多孔二氧化钛纳米纤维电极材料的制备与研究在上述的实验中进行了纳米多孔结构提高了锂离子扩散速率。在进一步的实验中,不仅结合了纳米多孔结构同时又掺杂了不同含量的高导电剂石墨烯,用二步煅烧的机械混合方法合成了石墨烯包裹的多孔锐钛矿型Ti O2纳米纤维复合材料,通过XPS,SEM,TEM表征可以了解到石墨烯的存在,BET可以说明多孔的形成,多孔的Ti O2纳米纤维和石墨烯比表面积大两者相辅相成,互相弥补缺点,发挥优点使其朝着好的方面发展。在电化学功能表征分析下,石墨烯质量百分数的比例达到3 wt.%的Ti O2/G电极,有一个较好的动力学和电化学性能:阻抗较小,扩散速率快,充放电比容量较高,循环之后保留较可观的比容量。在倍率为0.5 C时,初始充放电比容量可以达到496.34/285.28 m Ah·g-1,高于其他石墨烯含量电极的最开始的充放电容量。100圈之后,3 wt.%的Ti O2/G电极的放电比容量为233.22 m Ah·g-1,比容量维持率依然可达到46.73%。出色的电化学性能是因为由于石墨烯的添加和多孔结构的共同存在,因而改善了电导率和锂离子扩散速率。

关键词： 锂电池负极材料   聚丙烯酸   Fe3O4   水热法   电化学性能  

摘要： 锂离子电池作为最有前途的储能技术之一,因具有循环寿命长、能量密度大、自放电率低、热稳定性能好、记忆效应不明显等优势,已成为新型能源领域的研究热点。本工作以聚丙烯酸(PAA)修饰的粒径约250 nm的Fe3O4微球为核,葡萄糖为碳源,通过水热法制备了Fe3O4@C核壳型微球,研究其作为锂离子电池负极材料的电化学特性。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重(TGA–DTA)和傅里叶红外光谱(FT-IR)等手段对其表征,并通过循环伏安特性曲线、循环性能曲线、倍率性能曲线,充放电平台曲线和阻抗及其拟合曲线等研究其电化学性能。结果表明,制备的聚丙烯酸(PAA)修饰的Fe3O4@C核壳型微球球状完整,粒径均一,平均尺寸约310 nm,碳层表面光滑,包覆均匀,平均厚度约30 nm。Fe3O4@C的核壳结构有效缓解了恒流充放电过程中的体积膨胀,避免了晶体结构的快速坍塌。PAA中大量的羧基基团对Fe3O4起到表面改性的作用,有效避免了颗粒团聚,保证了良好的分散性。碳的有效包覆可改善Fe3O4材料作为锂离子电池负极材料的离子和电子电导,增加其比容量、库伦效率和循环稳定性。Fe3O4@C核壳型微球在100 m A/g电流密度下,恒流充放电循环370圈后,仍能保持655 m Ah/g放电比容量,约为首次放电的50%,具有良好的容量保持率。

关键词： 材料合成与加工工艺   锂离子电池   固相法   TiNb2O7   电化学性能  

摘要： 将TiNb2O7的前驱体在不同温度(400℃、800℃、900℃、1000℃和1100℃)煅烧,用固相合成法制备Ti Nb2O7负极材料并对其样品进行了TG-DSC、XRD和SEM表征和电化学性能测试。结果表明:在900℃煅烧前驱体,锐钛矿与Nb2O5反应的主要产物为Ti2Nb10O29。Ti2Nb10O29与金红石反应生成了TiNb2O7,生成纯单斜相Ti Nb2O7的最佳条件为在1100℃煅烧6 h。TiNb2O7负极材料在0.2C电流密度时初始容量为278.4 mAh/g,初始库伦效率为82.9%。TiNb2O7具有良好的倍率容量,在1C循环100次后容量保持率为89%。

关键词： 锂电池   负极材料   负极材料的制备  

摘要： 随着科技的发展,锂离子电池应用的范围越来越广。负极材料作为锂离子电池重要部分,越来越多的被人们研究开发。本文从碳负极材料和非碳负极材料两个方面对锂离子负极材料的研究发展进行了汇总,同时对其制备也进行了简单综述。

关键词： 锂电池   负极材料   研究进展  

摘要： 在人类探求出的已知金属当中,锂元素的原子量不仅是最小的,而且里面的金属也是最轻的。因为锂元素自身拥有的电极电位以及电化学当量是非常高的,而且锂元素电化学的比能量拥有着相当高的密度,因此,若是将锂元素与一些适当的正极材料进行匹配,就可以得到高能量的电池。自从锂电池被商品化之后,对锂电池负极材料的研究,主要分为以下七种:即锂电池的硅基材料、锂电池的氮化物、锂电池的石墨化碳材料、锂电池的锡基材料、锂电池的新型合金材料、锂电池的无定型碳材料以及锂电池其他方面的材料。在此背景下,本文对锂电池当中的这些负极材料进行了研究,并对其进行了展望分析。

关键词： 硅   硅碳复合材料   微纳结构   负极   锂离子电池  

摘要： 目前,无论是新能源汽车的发展还是数码终端产品的大屏幕化、功能多样化,都对与之匹配的储能系统提出了新的要求。而在储能电池的更新换代中,锂离子电池由于其耐高电压、无记忆效应、无污染环保、安全性能高、自放电率低、较高的比容量、循环性能强等优点,已在大量的储能项目中获得了实际应用。但目前的电池材料体系明显已无法满足锂电池的现实需求,研发新型高能量高性能材料迫在眉睫。目前,硅基材料已成为锂电池改善负极的最优先选择。硅负极材料具有安全性好、资源丰富、放电平台低和可嵌锂量远远大于碳的优点。然而,硅负极由于其在嵌脱锂循环过程中具有严重的体积膨胀和收缩,造成材料结构的破坏和机械粉碎,从而导致电极表现出较差的循环性能。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小,具有较好的循环稳定性能,而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体;另外,硅与碳化学性质相近,二者能紧密结合,因此合成硅碳负极材料是改善硅基材料的有效方法。在硅碳复合体系中,硅颗粒作为活性物质,提供储锂容量;碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化,又能改善硅质材料的导电性,还能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。因此硅碳复合材料综合了二者的优点,表现出高比容量和较长循环寿命,有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。本论文中我们将硅材料与碳材料进行复合进行了以下几个方面的研究:(1)将纳米硅经过正硅酸四乙酯水解在其表面包覆二氧化硅,然后在其表面再包覆一层聚乙烯吡咯烷酮。采用喷雾干燥方法组装成微米级颗粒,再进行高温裂解、酸洗,最终获得具有微纳米结构的多孔石榴状的硅碳复合负极材料。测试其电化学性能在100 mA g-1的电流密度下循环100圈之后能够保持933.62 m Ah g-1的比容量。当电流密度增加到1000 mA g-1,在循环3000圈以后电池具有显著的循环稳定性能够保持610.38 mAh g-1的比容量。(2)工业废触体硅通过球磨酸洗获得微米级硅颗粒,然后采用正硅酸四乙酯水解得到二氧化硅包覆的微米硅颗粒。采用乙炔作为碳源,运用化学气相沉积方法,进行碳纳米管生长,最后获得微纳米结构的海胆状硅碳复合负极材料。在100 mA g-1的电流密度下循环100圈之后能够保持920.1 mAh g-1的比容量。在1000 mA g-1的电流密度下,循环1000圈以后,它仍然可以维持606.2 mAh g-1的较高比容量。

关键词： 第一性原理计算   锂离子电池   负极材料   低维材料   C3N  

摘要： 近年来,低维材料由于其比表面积大、晶体结构特异、可人为控制等特点,在锂电池领域得到了研究者们的广泛关注。二维C3N晶体具有适当的带隙宽度、超高的刚度、高的热导率等特点,在锂离子电池电极材料的应用中展现出巨大的潜力。本论文结合锂电池的发展前景和C3N的结构特性,使用基于密度泛函理论的第一性原理及相关计算方法,重点对二维C3N、基于二维C3N的异质结构、C3N的同素异形体、C3N纳米带用于锂离子电池负极材料的表面特性进行系统的研究。本论文的具体内容和创新点如下:（1）通过第一性原理计算系统的研究了二维C3N和含缺陷的二维C3N用于锂离子电池负极材料的表面特性。计算结果发现,二维C3N具有超高的刚度（杨氏模量是364.33 N/m）,高的锂存储容量（1071 mAh/g）,较好的电子导电性（带隙0.39 eV）以及锂离子迁移能力（迁移能垒0.27 eV）。这表明二维C3N是一种有潜力的锂离子电池负极材料。更进一步的研究表明在实验室制备二维C3N过程中产生的空位缺陷可能导致电池性能衰减。研究结果为二维C3N材料用于锂离子电池负极提供了理论指导,同时也加深了对C-N基材料的认知。（2）利用第一性原理计算方法系统的研究了二维C3N/P异质结的表面结构、电学性能、力学性能、表面锂吸附和锂扩散性能。研究结果表明,与二维C3N和磷烯相比,二维C3N/P异质结构中的力学性能、导电性和锂结合强度均得到了显著提高。此外,与二维C3N相比,二维C3N/P异质结中锂离子的迁移能力也得到了提升。这些性能的改善主要来自于异质结构体系中存在的界面协同效应。研究表明二维C3N/P异质结构是一种有潜力的锂离子电池负极材料。（3）通过结构搜索方法成功预测了三种新的C3N同素异形体二维结构,并采用第一性原理计算研究了这些同素异形体的力学、电学以及锂电性能,提出了二维原子分布调控其性能的物理机制。结果显示C3N同素异形体的金属性来源于其结构中连续的C-C链。另外,这些同素异形体结构不仅具有与原始二维C3N同样的超高力学性能,还具备更好的导电性和锂离子迁移能力。（4）采用第一性原理计算系统的研究了边缘氢饱和以及未饱和的扶手型和锯齿型C3N纳米带的结构特性,及其相关的锂电性能。结果表明,C3N纳米带不仅具备优异的力学性能、良好的电子传导性和锂离子迁移能力还具有较高的嵌锂容量以及比二维C3N更强的锂离子结合能力。此外,研究还揭示了边缘氢饱和对C3N纳米带表面离子扩散性能的影响机制。

关键词： 金属锂电池   金属锂负极   3D集流体   集流体表面修饰  

摘要： 锂离子电池作为最成功的商业化二次电池,已经在各个领域广泛应用。然而随着社会的高速发展,人们对储能设备能量密度的需求越来越高,传统锂离子电池已经难以满足人们的能源需求,所以研发高能量密度的二次电池至关重要。相较于石墨负极材料,金属锂有着最低的氧化还原电势(-3.04V vs标准氢电极),超高的比容量(3860 mAh g-1),低的密度(0.534 g cm-3),这使得金属锂电池相较于传统锂离子电池能量密度有了极大提高。然而金属锂电池商业化还面临很多问题:金属锂由于其高还原性会与电解液发生反应导致低的库伦效率;电池充放电过程中不断暴露出新鲜的金属锂,会进一步加剧电解液消耗;金属锂在负极不均匀沉积会产生锂枝晶,刺穿隔膜,造成电池微短路,严重缩短电池寿命。本论文研究金属锂在负极的电化学行为,提出了一系列金属锂负极的保护策略,内容主要如下:(1)通过碱性溶液氧化的方法,在泡沫铜表面生长了均匀的铜氧化物纳米片阵列,增加了材料的亲锂性,降低了金属锂沉积能垒;通过辊压加强集流体内部的电场耦合,均一化集流体内部的电场分布,使金属锂在负极均匀沉积。对称电池电化学性能测试中,在电流密度5 mAh cm-2条件下能够循环超过5000圈;搭配磷酸铁锂组成全电池能够循环超过500圈,容量保持率在97%以上。(2)将上述方法推广到廉价的铜网上,获得表面原位生长氧化铜纳米层的铜网。相比于辊压过的泡沫铜,铜网具有更低的电极厚度,有利于实现金属锂在电流方向的均匀沉积。同时,它也有效地保留了泡沫铜的结构优势,如:网格状结构可以缓解充放电过程中的体积变化;氧化层降低金属锂沉积的成核/生长过电势。在电流密度为3 mA cm-2、容量为1 mAh cm-2的半电池长循环测试中,循环寿命超过230圈;在搭配磷酸铁锂和三元(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)正极材料的全电池测试中,其电化学性能也有着优异的表现,在1C条件下循环寿命均超过300圈。