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钴铁氧化物纳米复合材料的制备及在（柔性）锂离子电池负极材料上的应用

钴铁氧化物纳米复合材料的制备及在（柔性）锂离子电池负极材料上...

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作者：赵赛花浙江师范大学

学位级别：硕士

锂离子电池因具有高能量密度,小体积,轻质量,长循环寿命,无记忆效应和对环境友好等特点,是不可多得的绿色环保二次电池。电极材料(正极材料和负极材料)是构成锂离子电池的重要组成部分。过渡金属氧化物作为锂离子电池的负极材料也被广... 详细信息

锂离子电池因具有高能量密度,小体积,轻质量,长循环寿命,无记忆效应和对环境友好等特点,是不可多得的绿色环保二次电池。电极材料(正极材料和负极材料)是构成锂离子电池的重要组成部分。过渡金属氧化物作为锂离子电池的负极材料也被广泛研究,与一般的石墨负极材料相比,这些过渡金属氧化物通过结构设计而具有许多优点,如较高的电容量,广泛的应用性,较好的稳定性和对环境无害等。在这些材料中,钴、铁氧化物因为具有高容量、低成本和自然存储丰富这些特点而备受关注。然而,钴铁氧化物的导电性较差,在循环过程中存在粉末化的现象,这些容易造成负极材料和集流体的脱离,从而导致锂离子电池容量衰减较快。因此,通过制备具有不同形貌特征的纳米材料、设计独特的结构和用导电材料包覆等方法来提高钻铁氧化物的电化学性能,是研究锂离子电池的热点之一。作为新一代光电设备技术的柔性电子设备技术是一项新兴的、有潜力的技术,不同的新型电子设备,比如可卷曲设备,智能电子设备和可穿戴设备,都受到了广泛的研究关注。由于其对高能量密度的要求,而柔性锂离子电池能够有效的满足这个要求。柔性锂离子电极通常是无粘接剂、无导电剂,由不同的功能有机和(或)无机材料生长在柔性导电基底上组成。为了实现电子设备的柔性要求,碳基或其他膜基等不同的柔性锂离子电池电极材料已被广泛研究。比如,以碳纳米管、石墨烯、碳布、导电膜、纺织品、低维纳米结构的材料为基底的电极材料已被报道。碳布作为一种新型基底,和其他材料相比具有很多优点,包括成本低,导电性好,强度高,结构稳定性优异以及耐腐蚀能力强,因此,碳布在不加粘接剂和导电剂的条件下,用作作轻质、柔性的集流体,且可应用于柔性锂离子电池的负极材料。主要研究内容和结果如下：1.用温和的超声辅助水热法制备了碳包覆Fe304量子点石墨烯复合材料。SEM和TEM表征证明了碳包覆的Fe304纳米粒子的直径在7nm左右并均匀的分散在石墨烯纳米片上。该复合材料重的碳层能有效的减少Fe304纳米粒子的团聚,并且能够有效的缓解其体积膨胀,大大提高了Fe304纳米粒子的结构稳定性。此外,该复合材料的石墨烯纳米片为锂离子和电子的传输提供了三维网状结构。这种独特的结构设计为锂离子在嵌入与脱嵌过程中,电极材料的结构完整性提供了保证。用其作为锂离子电池的负极材料,表现出较好的循环性能和倍率性能,这种复合材料的首次放电容量为1300 mAh g-1,在150mA g-1的电流密度下循环100圈之后其容量保持在940 mAh g-1。2.通过水热法将三维CoO纳米线阵列直接生长在柔性碳布基底上,并研究其作为无粘接剂柔性锂离子电池负极材料的电化学性能。多孔CoO纳米线阵列为电化学锂化过程中产生的体积变化提供了缓冲空间,因为纳米线结构增大了材料的比表面积。这种直接在导电基底上生长3D分级纳米结构材料的方法具备很多优点,例如：较短的传输途径,较小的应力变化和快速的离子传输。因此,将CoO纳米线复合材料作为锂离子负极材料研究其电化学性能,表现出了优异的储锂性能、循环稳定性和倍率性能。当电流密度为100 mA g-1时,首次的放电容量达到了1730 mAh g-1,循环90圈后容量仍保持在1300 mAhg-1左右。CoO纳米线／碳布电极材料显示出了较强的柔性和较高的面积容量((1.95 mAh cm-2),这些优点使它在柔性锂离子电池负极材料具有较大的应用潜能。3.通过水热法直接将三维CoFe2O4纳米线阵列生长在柔性碳布基底上。将其作为无粘接剂和导电添加剂的柔性锂离子电池的负极材料,并研究其电化学性能。材料的循环稳定性和倍率性能都较好,尤其是,该复合材料在大倍率充放电条件下仍具有优异的循环性能。当电流密度为500 mA g-1时,初始放电容量为1204 mAh g-1,在循环200次之后,其容量仍保持在500 mAh g-1左右。CoFe2O4纳米线／碳布的高容量,杰出的倍率性能和稳定性,可归因于分层等级结构的多孔CoFe2O4纳米线生长在碳布基底上,这种特殊结构具有很多优点,比如较短的离子传输路径,较好的应变松弛能力,较快的电子传输。此外,CoFe2O4纳米线／碳布电极材料具有高柔性和高面积容量(2.408 mAh cm-2),使其能应用于柔性锂离子电池负极材料。

关键词：碳布基底柔性负极纳米结构复合材料锂离子电池

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金属硫基/硒基/氧基化物柔性电极材料制备及储锂/钠性能研究

金属硫基/硒基/氧基化物柔性电极材料制备及储锂/钠性能研究

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作者：康晋伟浙江师范大学

学位级别：硕士

锂/钠离子电池(LIBs/SIBs)因其能量密度高、环保、循环寿命长等优点,被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车领域。从实际应用考虑,当前的锂离子电池能量密度仍需进一步提升。然而,目前研究的电极仍然存在一些致命的问题,如离子/电子导... 详细信息

锂/钠离子电池(LIBs/SIBs)因其能量密度高、环保、循环寿命长等优点,被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车领域。从实际应用考虑,当前的锂离子电池能量密度仍需进一步提升。然而,目前研究的电极仍然存在一些致命的问题,如离子/电子导电率低,稳定性差,倍率性能差等。因此研发具有高能量密度和长循环寿命的新型负极材料迫在眉睫。而电极材料的电化学性能高度依赖于其结构、电导率和与Li/Na的反应特性。因此,在提高电导率同时设计新型结构体系,以提高LIBs/SIBs的性能。不同杂化体系的FeO、NbO、MoS、MoSe、MoC等负极材料表现出优异的电化学性能,具有潜在的研究价值。此外,随着柔性电子器件市场的不断扩大,探索兼具可逆容量高、循环寿命长的新型柔性电极材料具有重要意义。由碳纤维织成的碳纤维布具有柔韧性好、电导率高等一系列优点,可作为柔性/可穿戴电极基底使用。因此,设计碳布基底类的活性电极材料,以促进其在柔性器件中的发展具有重要意义。本论文主要研究内容如下:(1)通过一步水热法将MoS纳米片自组装在碳纤维(CC)上得到3D MoS/CC复合材料。3D MoS/CC复合材料直接作为LIBs和SIBs的电极,无需粘结剂和添加剂,组装电池。该MoS/CC电极在存储锂和钠方面具有极高的容量和优异的性能,能有效保证电化学反应动力学。作为LIBs负极材料,MoS/CC在电流密度为0.1 A g,循环100圈后,可逆容量保持在1263 mAh g。在2.0 A g时,循环100圈后,可逆比容量仍高达838 mAh g。用于SIBs负极时,在电流密度为0.1 A g,循环100圈后,可逆比容量为515 mAh g。MoS/CC复合电极优异电化学性能归因于:(Ⅰ)网格状CC不仅有效地抑制了充放电过程中类石墨烯MoS纳米片的团聚,而且有效缓解了Li/Na嵌入/脱出过程中MoS的体积变化,提高了结构稳定性,从而优化电池的循环稳定性。(Ⅱ)CC在没有添加剂条件下,提供了优异的导电性,保证MoS层之间快速的反应动力学,从而提高可逆比容量和倍率性能。(Ⅲ)三维结构使活性物质和电解液之间充分接触,从而增强Li/Na活性,MoS/CC显示了较高的可逆比容量。此外,所制备的MoS/CC为无粘结剂电极,不含PVDF和泡沫Ni/Cu集流体,表明MoS/CC电极作为下一代柔性器件的电极材料具有较大前景。(2)采用一步水热法合成了MoSe@碳纤维布(MoSe@CC)复合材料。此复合材料由片状MoSe组装的纳米花嵌在CC网格上,该材料不需添加有机溶剂和粘结剂,可直接作为LIBs和SIBs的负极使用。实验结果表明,MoSe@CC复合材料表现优异的存储锂性能,如(在电流密度为0.1,0.2,0.5,1.0,和2.0 A g时,循环10圈后可逆比容量分别为1337,1092,952,831和749 mAh g,在5.0 A g循环1200圈,可逆比容量仍保留638 mAh g);作为SIBs负极,MoSe@CC电极的初始放电比容量为839 mAh g,在电流密度为5.0 A g循环1000圈后可逆比容量为202 mAh g,第二次循环后平均容量衰减仅0.012%。动力学分析结果表明,Li和Na的大部分容量贡献来源于赝电容贡献;碳纤维提供多元导电网络,增加了电化学活性位点,有利于电化学性能的提高。(3)通过水热和回流法制备了NbO@GO复合材料,其中NbO纳米粒子镶嵌在石墨烯上,NbO纳米粒子尺寸约为100 nm。在复合材料的结构设计中,石墨烯能够为NbO粒子充放电中的体积膨胀提供一定的缓冲空间,有效地维持NbO粒子的结构稳定性。同时,石墨烯纳米片的三维网状结构能够为Li/Na传输提供有效途径。该NbO@GO电极材料在存储锂和钠方面具有极高的容量和优异的倍率性能。用作LIBs的负极时,在电流密度为0.1 A g下,循环100圈后,可逆比容量保持在382 mAh g;在电流密度为2.0 A g时,循环100圈后,可以获得可逆比容量为183 mAh g。用作SIBs的负极时,在电流密度为0.1A g时,循环100圈后,可逆比容量保持210 mAh g。在电流密度为5.0 A g,循环1000圈后,NbO@GO锂存储可逆比容量达到了132 mAh g;同样条件下钠存储可逆比容量为52 mAh g。这种结构设计有效地提高了锂/钠离子电池的电化学性能,是一种具有很大潜能的锂/钠离子电池负极材料。

关键词：碳布基底柔性负极复合材料锂/钠离子电池

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