过渡金属氧化物负极材料的制备及其储锂性能的研究

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近年来,在碳中和和碳达峰的全球背景下,锂离子电池迎来了前所未有的发展机遇。随着储能行业的快速发展,主流的商用石墨负极因低的理论容量上限(372 mAh/g)已很难满足当前市场需求。因此,研发具有高能量密度,高循环性能,高容量和低成本的负极材料迫在眉睫。过渡金属氧化物(氧化镍,氧化铁等)因具有较高的容量,储量丰富,良好的安全性和环境友好等优点而被广泛研究,有望成为下一代负极材料。然而,过渡金属氧化物在充放电循环过程中会出现体积膨胀,导致电池容量快速衰减,影响电池使用寿命。本论文制备了Ni/NiO@NC和Fe2O3@NC两种复合材料。探究了不同温度下两种复合材料的性能,确定了最佳制备温度。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、氮气吸附脱附等温曲线、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射光电子衍射能谱(XPS)等表征手段对两种复合材料进行表征分析;通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电测试(GCD)、电化学交流阻抗谱(EIS)、循环稳定性测试等电化学测试手段对两种复合材料组装半电池进行电化学性能分析;用商用的磷酸铁锂为正极,制备的复合材料为负极组装全电池,进行循环稳定性测试进行实用性分析。具体研究结果如下:(1)以醋酸镍为镍源,以盐酸多巴胺为碳源,制备了纳米尺寸的Ni/NiO@NC复合材料。探究了不同碳化温度下制备的Ni/NiO@NC复合材料的性能,确定了700℃为最佳制备温度。Ni/NiO@NC电极在0.5 A/g电流密度下循环250圈,可逆容量为513.3 mAh/g,同样的测试条件下,NiO电极的可逆容量仅有170 mAh/g。Ni/NiO@NC复合材料良好的电化学性能归因于介孔的形成和碳包覆改性缓解了NiO的体积膨胀。对不同扫速的CV拟合分析表明Ni/NiO@NC电极的电荷储存行为是电池行为。(2)以九水硝酸铁为铁源,以盐酸多巴胺为碳源制备了纳米尺寸的Fe2O3@NC复合材料。探究了不同碳化温度下制备的Fe2O3@NC复合材料的性能,确定800℃为最佳制备温度。在100 mA/g的电流密度下循环250圈后,Fe2O3@NC电极仍具有1097.4 mAh/g的充电容量,而在同样的测试条件下,Fe2O3电极的充电容量仅有188 mAh/g。Fe2O3@NC复合材料具有良好的性能主要是因为纳米尺寸和碳包覆缓解了Fe2O3的体积膨胀。不同扫速CV拟合结果表明Fe2O3@NC电极的储能过程既有扩散控制又有表面控制。(3)LiFePO4||Ni/NiO@NC全电池在100 mA/g的电流密度下循环50圈后,容量保持率为98.9%。LiFePO4||Fe2O3@NC全电池在100 mA/g的电流密度下循环50圈后,库伦效率为99.1%。全电池测试表明N掺杂碳包覆改性后的NiO和Fe2O3均具有商业应用潜力。
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