新型能源材料—電化學電容器與鋰離子電池電極材料的研究.pdf

1、鋰離子電池因工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、自放電率低、“綠色”環(huán)保等眾多優(yōu)點而倍受人們的關注，目前已廣泛應用于小型用電器中，并正積極向空間技術、國防工業(yè)、電動汽車、UPS等領域發(fā)展。鋰離子電池技術的關鍵在于嵌入式電極材料的成功開發(fā)，進一步改進工藝，降低成本和提高性能是現(xiàn)階段鋰離子電池發(fā)展的主攻方向；電化學電容器是一種新型的儲能裝置，因其比功率高、循環(huán)性能好，不僅可用作計算機等后備電源和各種小型電子儀器的功率電源，還可以和鋰離子電池

2、組合作為電動汽車的動力電源系統(tǒng)。因此電化學電容器也是新型化學電源研究中的熱點之一。 本論文綜述了鋰離子電池和電化學電容器電極材料的最新研究進展，并制備了相關的電極材料以及在這兩類裝置中的應用進行了深入的研究。利用XRD、SEM、TEM、和IR等技術對電極材料的微觀結構和形貌進行了分析，采用恒電流充放電、循環(huán)伏安(CV)和電化學阻抗譜(EIS)等技術測試其電化學性能。重點討論了不同種類電極材料存儲電荷能力的行為。主要內容如下：

3、 (1)以超穩(wěn)Y型分子篩為模板，利用液相沉淀方法合成一系列分子篩基金屬氫氧化物、氧化物電極材料，并將其用于電化學電容器的研究。對所制備分子篩基復合材料的各向異性形貌的形成機理，電化學電容特性、電化學反應機理、電極過程動力學等進行了較為詳細的分析。研究表明，通過分子篩表面所固有的排列有序的孔道或籠等微觀結構，能夠保證所擔載的活性材料在三維方向上定向排列，形成疏松堆積的多孔納米材料。這種獨特的多孔結構不僅提供了活性離子快速進出電極表面的

4、通道，而且可以使活性離子擴散到電極的體相，充分利用電極材料的電活性位，發(fā)生氧化還原反應，使得該系列復合物材料具有非常高的比電容性質。其中擔載量為28wt％的Co(OH)2/USY復合物具。有958F/g的比電容，甚至超過了水合RuO2在酸性電解液中的電容行為，能夠實現(xiàn)Co(OH)2高達98％的材料利用率。通過這一方法不僅開辟了沸石一個全新的應用領域，而且獲得目前電化學電容器電極材料的最高比電容值。 (2)首次利用葡萄糖原位還原水

5、熱方法制備了理想尖晶石型LiMn2O4和摻雜型LiMn2O4，并將其用于鋰離子二次電池正極材料的研究。重點考查合成工藝條件對于產物物理和電化學性能的影響，并結合葡萄糖所扮演還原劑的作用，對水熱合成反應的機理做出初步的解釋。結果顯示水熱反應的溫度和還原劑的添加對于形成理想尖晶石型結構起到非常關鍵的作用，水熱溫度在200℃，以葡萄糖作為還原劑更有利于獲得較為理想的尖晶石型鋰錳氧；與此同時還發(fā)現(xiàn)沒有經過褪火的水熱樣品具有更為優(yōu)異的電化學性能。

6、另一方面，摻雜型LiMn2O4樣品的電化學性能要優(yōu)于純LiMn2O4樣品，源于晶體結構的微小改善。在所有水熱樣品中，Al，F(xiàn)共摻雜樣品具有最好的電化學性能，首次放電容量為115mAh/g，50次充放以后容量保持率大于90％。與傳統(tǒng)的高溫固相法相比，該方法具有原料價格低廉，反應步驟簡單，反應條件溫和，產物性能優(yōu)良等優(yōu)點。 (3)考慮到分子篩本身絕緣的性質，在一定程度上降低了復合材料的導電性，因而其功率特性尚需進一步提高。結合活性炭

7、材料自身優(yōu)良的導電特性，提出以分子篩基納米復合物為正極，活性炭為負極組裝混合電化學電容器。經過測試，基于Co(OH)2/USY電極的電容器其電位窗口從0.45V擴展到1.5V，比容量最高值為110F/g，是目前水相電解液中基于金屬氧化物/氫氧化物混合型電容器體系中最高容量值。電化學性能的改善得益于以較大比表面積和適當孔徑分布的活性炭為負極，可以促使納米復合物在較為寬的電位窗口內通暢地進行法拉第反應，維持其優(yōu)異的電容性能。另一方面，電位窗