锂离子电池过渡金属氧化物/碳纳米管双纳米复合负极材料研究

作     者：贾玉洁 

作者单位：河南师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹艳红;杨书廷

授予年度：2015年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂电池 负极 真空浸渍法 碳纳米管 过渡金属氧化物 

摘      要：锂离子电池自上世纪九十年代以来,由于其具有较高的工作电压、高的能量密度、绿色无污染等优点,受到了广泛关注。目前,商业化的锂离子电池已经用于手机,便携式笔记本、数码相机等。石墨是商业化锂离子电池中广泛采用的负极材料。它具有来源广泛,价格低廉等优点。但是由于其存在容量偏低(理论容量为372 m Ah/g),寿命短,安全性差等缺点,已经不能满足人们日益增长的能源需求。因此,一些研究者开始探索比容量更高,价格更低廉,倍率性能更好,循环寿命更长,更安全的负极材料。近年来,过渡金属氧化物以较高的比容量和安全性能而备受关注,但是其在充放电过程中发生剧烈的体积膨胀,导致电极材料粉末化,电极坍塌,最终可逆容量迅速下降。另外,由于其电子电导率低导致其在高倍率下的放电性能也很差。目前提高过渡金属氧化物电性能的主要方法有:制备纳米材料,包覆或掺杂碳材料形成复合材料等。这些方法过程相对复杂,难以控制,或者原料昂贵,所以都难以大规模制备。本论文采用简单的真空浸渍法制备了多种过渡金属氧化物和碳纳米管的双纳米复合材料,探索并优化了制备的工艺过程,研究了材料的电性能。结果表明,碳纳米管在复合材料中可以充当缓冲基质的作用,它不仅能缓解纳米颗粒在充放电循环中的体积膨胀,而且还能抑制晶粒的长大,增强活性材料的导电性,从而显著提高材料的循环稳定性和倍率放电性能。本论文研究的主要内容如下:1、通过真空浸渍法及后续煅烧过程制备了一氧化锰/碳纳米管复合材料。经过对烧结温度、配比的优化,筛选出最优的工艺条件为:煅烧温度为300°C,配比为1:2。测试结果表明复合材料中Mn O的晶粒大约为18 nm,均匀的分散在碳纳米管管壁上。复合材料表现出比较高的初始比容量(1455 m Ah/g),第二次循环后,可逆容量持续上升,直至大约第50个循环。至100循环时可逆容量仍可达1202 m Ah/g。2、采用真空浸渍法合成出了二氧化锰/碳纳米管的复合材料,并优化了最佳的工艺条件:煅烧温度为200°C,配比为1:2。结果表明,复合材料中的二氧化锰颗粒约为14.88nm,并均匀的分散在碳纳米管管壁上。电性能结果表明,复合材料的初始容量超过1700m Ah/g,100次循环后可逆容量为922 m Ah/g。3、采用真空浸渍法制备出了二氧化铈/碳纳米管的复合材料,经过对不同煅烧温度、不同配比所得复合材料的电化学测试表明,最佳煅烧温度为200°C,配比为1:1。结果表明,复合材料中二氧化铈的晶粒只有11纳米,比较均匀的分散在碳纳米管管壁上。电性能测试结果表明,首次放电容量为756 m Ah/g,而50次循环后复合材料的可逆容量高达564 m Ah/g。4、采用真空浸渍法制备出了铁酸镍/碳纳米管的复合材料。结果表明,复合材料中铁酸镍的晶粒只有几个纳米,均匀的分散在碳纳米管管壁上。电性能测试结果表明,该材料在0.1 C时的首次放电容量为1294 m Ah/g,50次循环后容量保持在1093 m Ah/g;在2 C循环时比容量仍然能保持在900 m Ah/g。