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碳包覆金属氧化物复合材料电化学储能性能研究

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摘要

第1章绪论

1.1绪论

1.2锂离子电池概述

1.2.1锂离子电池的发展历史

1.2.2锂离子电池的工作原理

1.2.3锂离子电池的特点

1.2.4锂离子电池负极材料的研究概述

1.2.5锂离子电池负极材料的研究进展

1.3钠离子电池

1.3.1钠离子电池概述

1.3.2钠离子电池电极材料

1.3.3静电纺丝技术

1.3.4聚合物基碳材料

1.4本论文研究的意义与内容

1.4.1本论文的研究意义

1.4.2本论文的研究内容

第2章实验材料及研究方法

2.1实验试剂与设备

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器及设备

2.2材料测试表征方法

2.2.1材料的微观结构表征

2.2.2材料的电化学表征

2.3本章小结

第3章氧化镍/镍/碳复合材料的制备及储锂性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1氮掺杂碳材料的制备

3.2.2氢氧化镍前驱体的制备

3.2.3镍/碳复合材料的制备

3.2.4氧化镍/镍/碳复合材料的制备

3.3结果与讨论

3.3.1微观结构分析

3.3.2合成机理分析

3.3.3电化学性能分析

3.3.4不同镍含量对电极材料的电化学性能影响

3.3.5煅烧温度对电化学性能的影响

3.3.6循环性能分析

3.4本章小结

第4章氮掺杂多孔碳复合材料的制备储钠性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3.1微观结构分析

4.3.2电化学性能分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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摘要

作为过渡金属氧化物中的一种,氧化镍由于具有较高的理论比容量、价格低廉等优点成为非常有前途的锂离子电池电极材料。但和其它过渡金属氧化物相同,氧化镍作为电极材料也同时存在着一些亟待解决的问题:一方面是氧化镍电极材料在锂化/去锂化的过程中会造成电极材料的粉化,从而导致电极材料从集流体上脱落,导致氧化镍电极材料的电化学性能不能充分发挥;另一方面是氧化镍本身具有较差的导电性,这也限制了氧化镍电极材料在高能量密度下的应用。因此,本文通过水热合成方法制备了具有三维导电网络结构的花瓣状氧化镍/镍/碳复合锂离子电极材料,该独特的结构显著提高了电极材料的导电性和结构稳定性。此外本文还通过静电纺丝的合成方法制备了具有三维空间导电网络的多孔碳纳米纤维钠离子电池电极材料,提高了电极材料的比容量和导电性等性能。具体的研究内容如下:
  将硫酸镍、环六亚甲基四氨和葡萄糖通过水热合成制备了碳/氢氧化镍的前驱体,再经高温还原以及低温氧化处理得到花瓣状氧化镍/镍/碳复合锂离子电极材料。通过此方法得到的电极材料中氧化镍以及纳米镍粒子均匀地分散在连续的碳膜中,形成厚度为50nm的薄片状花瓣。有效降低了活性组分氧化镍的尺寸。另一方面这种独特的花瓣状结构缩短了锂离子扩散距离,有效地缓解了体积变化对电极材料结构的破坏。而花瓣中连续碳膜和纳米镍粒子的存在,显著提高了电极材料的导电性,从而使该材料具有优异的电化学性能。研究结果表明当硫酸镍含量为1.31g、煅烧温度为700℃时电极材料展示出了极好的电化学性能。其中,当电流密度为0.1A/g时,可逆比容量为952mAh/g,同时该材料还具有较好的倍率特性(电流密度为2A/g时可逆比容量为579mAh/g)和循环稳定性(在0.5A/g的电流密度下500次循环后比容量662mAh/g)。
  通过静电纺丝合成方法制备了聚丙烯腈纳米纤维,然后经过碳化和氢氧化钾活化对纳米碳纤维表面进行刻蚀造孔,增加了电极材料的比表面积,提供了更多的储钠的活性位点,从而提高了电极材料的比容量;同时由于刻蚀后的纤维出现了更多孔道,有利于钠离子的传输,显著提高了电极材料的电化学性能。研究结果表明经过工艺优化的该材料PANC-3具有非常好的倍率性能(电流密度为2A/g时可逆比容量为113mAh/g)和循环稳定性(在0.1A/g的电流密度下500次循环后比容量227mAh/g)。

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