锂离子电池高比容量负极材料的制备及电化学性能研究

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随着人类社会的高速发展和人口的持续增长,对能源的需求也日趋增大,这将导致矿物能源的枯竭,发展新能源成为21世纪需要解决的重大课题之一。锂离子电池具有循环寿命长、能量密度高、环境友好、无记忆效应等特点,成为各种电子产品和混合动力电动汽车最受欢迎的选择。锰氧化物作为负极材料具有储量大、理论容量高等优势,发展前景广阔。但是,在充放电过程中由于锂离子的反复嵌入和脱出会引起较大的体积变化,使得电极材料破碎和电接触不良;同时,其本身导电性较差,电荷传输速率较低,限制了电池的快速充放电,基于以上缺点,锰氧化物作为负极材料时具有较差的循环和倍率性能。同时,石墨化碳材料凭借其较大的比表面积在作为锂离子电池负极材料时也表现出较高的储锂特性,但在其特性参数(比表面积、孔体积)对于比容量影响尚不清晰。针对上述问题,本文的研究内容如下:(1)利用溶液法原位合成Mn3O4@CNT,针对锰氧化物的缺点进行结构设计,利用结构稳定、导电性能良好的碳纳米管与Mn3O4进行复合,同时设计微纳米结构,构筑三维导电网络,得到Mn3O4/碳纳米管复合物,并利用原子层沉积技术(ALD)在Mn3O4@CNT表面包覆Ti O2薄膜,在SEM、TEM下可观察到三维导电网络的形成,电化学分析表明,修饰后的材料电化学性能有明显提升,经过100次循环后容量保持约880m Ah g-1,库伦效率保持在99%。(2)利用上一部分提出的方法同样可以合成具有相同结构的Mn O@CNT,该材料在0.2A g-1下循环100次后容量可达到1664m Ah g-1,在多次循环后依然能保持完整的形貌结构,具有优秀的循环性能,表现出良好的倍率性能,表明该方法可推广至其他负极材料形貌结构设计。(3)利用化学活化法制备多孔石墨化碳材料,通过调节加入活化剂种类,比例,活化时间及活化温度等实验条件,得到具有分级多孔石墨化材料,孔径分布及大小可通过实验条件进行调控,可满足不同储能设备对材料的需求。该材料可用于锂离子电池负极材料,电化学性能测试结果表明在循环150圈后,仍能保持818m Ah g-1高比容量,具有优异的循环性能和倍率性能。
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