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纳米结构复合氧化物的合成及电化学性质研究

作　者: 汤占磊
导　师: 王磊
学　校: 青岛科技大学
专　业: 有机化学
关键词: 纳米材料 锂离子电池 LiMn2O4 Li4Ti5O12
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


可充电式锂离子电池由于它所特有的较安全稳定的电化学体系、高能量密度以及环境友好的特性,现如今已经广泛使用在便携式移动设备上(如数码相机、智能手机、平板电脑等),并且在电动汽车及混合动力汽车方面更展现出了极高的应用潜力。尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)作为锂离子电池正极材料具有原材料资源丰富、成本低廉,热稳定性好及耐过充性佳的优点。但其在高温条件下循环过程中的容量衰减快,这是制约了它进一步商品化的主要因素之一。尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)作为锂离子电池负极材料被称作“零应变”材料,具备循环稳定性好、有平稳的放电电压平台的优点,尖晶石型Li4Ti5O12相对于金属锂的电势低,是一种很有潜力的锂离子电池负极材料。但是由于其固有的低电导率特性及大电流性能较低限制了其商品化的应用,材料的纳米化可改善锂离子电池的电化学性能,尤其是快速充放电性能,是锂离子电池材料的重要发展方向之一。本课题选取原材料来源广泛的尖晶石型锰酸锂及尖晶石型钛酸锂作为研究对象主要的研究内容如下：通过使用α-MnO2作为模板,固相法合成出一种具有孔状次级核壳结构的尖晶石型锰酸锂材料,对材料采取XRD进行结构测试,表明合成出的产物为尖晶石型,结果表明该球形材料尺寸在2-5μm范围是由纳米小颗粒组成的,将其组装成纽扣电池研究其充放电性能,在0.1C,0.5C,1C,2C,5C,倍率下放电容量分别为114mAh g-1104,101,95,82mAh g-1并具有良好的循环性能。对其进行深入研究后发现它还具有很好的直接电化学及电催化性能。以1,4-二氧六环与水为混合溶剂,180℃溶剂热12小时后经过650℃后续煅烧6小时后合成出尺寸为100m左右的尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)纳米颗粒材料,对其进行电化学性能测试研究表明,该纳米颗粒钛酸锂材料具有很好的电化学性能,在1.0-3.0V下0.1C,0.5C,1C,1.5C,2C倍率下的初始放电容量分别为176,158,148,139,138mAhg-1,并具备良好的循环性能。通过共沉淀法用NH4HCO3作为起泡剂及模板剂利用钛酸四丁酯的定向水解合成了具有多孔状结构的水解产物,详细分析了NH4HCO3的用量对水解产物形貌的影响,经过煅烧处理后合成了多孔结构Li4Ti5O12材料,产物具有良好的电化学性能,在0.1C、0.5C、1C倍率下放电容量分别为154.7,82.9,62.5mAhg-1,并具有良好的循环性能。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5--1
第一章 绪论  -1-17
  1.1 锂离子电池简介  0-3
    1.1.1 锂离子电池发展史  0-1
    1.1.2 锂离子电池结构  1-2
    1.1.3 锂离子电池工作原理  2-3
  1.2 锂离子电池正极材料  3-7
    1.2.1 层状化合物Li-M-O  3-4
    1.2.2 磷酸铁锂正极材料  4-6
    1.2.3 尖晶石型LiMn_2O_4材料  6-7
  1.3 尖晶石锰酸锂的合成方法  7-9
    1.3.1 高温固相法  7-8
    1.3.2 溶融盐浸渍法  8
    1.3.3 溶胶-凝胶法  8-9
    1.3.4 喷雾热解法  9
  1.4 锂离子电池负极材料  9-11
    1.4.1 碳负极材料  10
    1.4.2 合金负极材料  10-11
    1.4.3 金属氧化物负极材料  11
  1.5 尖晶石型钛酸锂负极材料  11-14
    1.5.1 尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)合成方法  13-14
  1.6 纳米级电极材料概述  14-15
    1.6.1 纳米材料的发展简史  14
    1.6.2 纳米电极材料的优点  14-15
  1.7 本课题的选题思想、目的和主要进展  15-17
    1.7.1 本课题的研究目的和意义  15-16
    1.7.2 本课题所取得主要进展  16-17
第二章 核壳结构球形尖晶石锰酸锂的合成与性质研究  17-33
  2.2 实验部分  18-21
    2.2.1 实验药品  18-19
    2.2.2 仪器及设备  19
    2.2.3 实验方法  19
    2.2.4 材料的分析与表征  19-20
    2.2.5 电池的组装和充放电性能测试  20-21
    2.2.6 CTS/Mb-LiMn_2O_4/CILE的制备  21
  2.3 结果与讨论  21-31
    2.3.1 α-MnO_2的XRD表征  21-22
    2.3.2 α-MnO_2电镜图  22
    2.3.3 煅烧温度对产物的影响  22-23
    2.3.4 核壳结构LiMn_2O_4微球的SEM表征  23-24
    2.3.5 核壳结构LiMn_2O_4微球的N_2吸附表征  24-25
    2.3.6 核壳结构LiMn_2O_4循环伏安  25-26
    2.3.7 核壳结构LiMn_2O_4的充放电循环稳定性  26
    2.3.8 核壳结构LiMn_2O_4的倍率性能  26-27
    2.3.9 CTS/Mb-LiMn_2O_4/CILE复合材料的电化学研究  27-30
    2.3.10 对TCA的电催化还原  30-31
  2.6 本章小结  31-33
第三章 溶剂热法合成钛酸锂纳米颗粒  33-41
  3.1 前言  33-34
  3.2 实验部分  34-36
    3.2.1 实验药品  34
    3.2.2 实验仪器  34-35
    3.2.3 实验方法  35
    3.2.4 材料的分析与表征  35
    3.2.5 电化学性能测试  35-36
  3.3 结果与讨论  36-40
    3.3.1 纳米钛酸锂XRD  36-37
    3.3.3 钛酸锂纳米颗粒的电镜表征  37
    3.3.4 钛酸锂纳米颗粒的电化学性能测试  37-40
  3.4 本章小结  40-41
第四章 共沉淀法合成多孔型钛酸锂  41-49
  4.1 前言  41-42
  4.2 实验部分  42-43
    4.2.1 化学试剂及来源  42
    4.2.2 实验仪器  42-43
    4.2.3 实验方法  43
    4.2.4 材料的分析与表征  43
    4.2.5 电化学性能测试  43
  4.3 结果与讨论  43-47
    4.3.1 NH_4HCO_3用量对水解产物形貌的影响  43-45
    4.3.2 多孔球形Li_4Ti_5O_(12)的电镜分析  45-46
    4.3.3 多孔Li_4Ti_5O_(12)的XRD分析  46
    4.3.4 多孔Li_4Ti_5O_(12)的电化学性能分析  46-47
  4.4 本章小结  47-49
全文总结  49-50
参考文献  50-57
致谢  57-58
攻读学位期间发表的学术论文目录  58-71

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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