火焰合成纳米ZnO改进锂离子电池安全性能研究

作     者：陈学兵 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭耸

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：预混滞止火焰合成 纳米ZnO 锂离子电池安全性 负极材料 

摘      要：锂离子电池已经成为21世纪新能源发展进程中不可或缺的重要组成部分,工程项目、生活储能及日常移动办公均离不开锂电新能源技术的应用,但新兴技术快速发展的同时也引发了一系列的安全事故,究其本质主要是高循环次数下锂离子电池石墨负极表面Li的不均匀沉积促使了锂枝晶的生长,导致化学电源正负极直接接触,大量化学反应热能的瞬时释放进一步引发系统的热失控行为。因此,基于提高商品化石墨负极材料的理论容量、消除或避免石墨负极表面锂枝晶生长的研究思路,本论文主要采用预混火焰合成方法制备兼具合金反应型和结构转化型两种作用机制的纳米ZnO对商品化石墨负极进行掺杂改性,实验探索火焰合成纳米ZnO的最佳工况条件及其掺杂改性对提高商品化石墨负极容量、提升锂离子电池整体安全性能的特征方式。本论文首先确定了预混滞止火焰合成方法制备纳米ZnO的可行性及可靠性,与化学合成方法制备的产物相相比,预混滞止火焰合成技术具有制备明显颗粒纳米化、高纯度与高结晶度产物的独特优势。再进一步的火焰合成最佳工况条件实验探索中,成功制备形貌均一、呈六方相形状、颗粒尺寸稳定维持在18nm左右且呈多晶形态的纳米ZnO颗粒。同时纳米ZnO具有极高的表面氧化特性和5.6nm窄分布的纳米孔隙,比表面积达20m/g。此外,对比分析商品化石墨负极材料和以商品化石墨负极材料为主,超高性能纳米ZnO掺杂为辅的混合型负极材料的电化学性能,发现纳米ZnO的掺杂改性在大幅度提升商品化石墨负极材料充放电容量的同时,维持了其本身具备的高循环稳定性能。同时10次循环后低至12.1Ω的R电荷转移电阻更加有利于负极表面Li的沉积,这对消除或避免锂枝晶生长、提升锂离子电池整体安全性能具有关键性作用。同时,本论文也为提升锂离子电池安全性能相关研究提供一定的理论基础和技术支持。