Fe2(MoO4)3纳米颗粒石墨烯复合材料在锂镁混合电池中的应用毕业论文

2021-03-29 10:03

摘要

进入21实际以来，社会飞速发展，科技日新月异，生活水平逐渐提高，然而人类对能源的消耗与日俱增，传统的化石能源已无法满足人们的需求，而且化石能源的大量使用使环境污染加剧，二次电池的研究开发逐渐成为热点。锂离子电池已经深入人类生活中的方方面面，但是金属锂储量有限和存在部分安全问题，使得大型锂离子电池无法大规模推广。目前大容量的储电设备仍然是传统的铅酸或镍镉充电电池，但这种电池体积巨大，长期放电时容量降低，并对环境造成严重的污染。金属镁储量丰富，价格低廉，安全性高，且镁离子电池是一种新型绿色电池，故对镁离子电池体系的研究具有重要的科学意义和实际应用价值，正逐渐成为全球能源领域研究的热点。本论文主要探讨了Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料的控制合成，并进一步研究了锂镁混合电池的电化学性能，取得以下成果。

(1) 采用微乳液-煅烧两步法成功制备出Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料。石墨烯均匀地包覆在Fe₂(MoO₄)₃表面。

(2) 将Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料作为镁锂混合电池的正极材料，并测试电池的电化学性能。电流密度为100 mA g^-1时，第40次循环放电比容量是首次循环时的71.7 %。

关键词：Fe₂(MoO₄)₃；石墨烯；复合材料；负极材料；锂/镁离子电池

Abstract

Since the beginning of the 21st century, the society have developed rapidly as well as science and technology, and people’s living standards have gradually improved, however, the human consumption of energy is growing, and the traditional fossil energy has been unable to fulfill the demands of humans. In addition, the massive application of fossil fuels make environmental pollution more serious, therefore, research and development of the second generation of the batteries have gradually become a hot topic. Lithium-ion batteries play an important role in people's lives, however, metal lithium resources are limited and the existence of some security issues lead to lithium-ion batteries are unable to large-scale expansion. At present, large-capacity storage equipment are still the traditional lead-acid or nickel-cadmium rechargeable batteries, in addition to fading of capacity during long term discharge, this kind of batteries are bulky and cause serious pollution to the environment. Besides low cost and high security, metal magnesium is rich in resources, and magnesium ion battery is a new type of green battery, therefore, the study of magnesium ion battery system has important scientific significance and practical value, which is gradually becoming a hot topic in the global energy field. This paper mainly discusses the controllable synthesis of Fe₂(MoO₄)₃nanoparticles/graphene composites, and investigates the electrochemical performance of lithium-magnesium hybrid batteries. The results are as follows:

Fe₂(MoO₄)₃nanoparticles/graphene composite is successfully prepared by microemulsion-calcination two-step method. The graphene is evenly distributed on the surface of Fe₂(MoO₄)₃.
Fe₂(MoO₄)₃ nanoparticles/graphene composite is acted as the cathode material of the magnesium-lithium mixed batteries and the electrochemical performance of the batteries are tested. When cycling at 100 mA g^-1 for 40 cycles, the capacity retention of electrode is 71.7 %.

Key words: Fe₂(MoO₄)₃; Graphene. Composite materials; The cathode material; Lithium/magnesium ion batteries

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2锂离子电池 1

1.2.1 锂离子电池的发展历史 1

1.2.2 锂离子电池的工作原理 2

1.3 镁离子电池 3

1.3.1 镁离子电池的发展历史 3

1.3.2 镁离子电池的基本原理 3

1.4 钠离子电池 4

1.4.1 钠离子电池的发展历史 4

1.4.2 钠离子电池的工作原理 4

1.5 正极材料 4

1.5.1 层状金属氧化物正极材料 4

1.5.2 聚阴离子型正极材料 7

1.6 负极材料 8

1.6.1 嵌入式反应负极材料 8

1.6.2 合金化反应负极材料 9

1.6.3 转化反应负极材料 9

1.7 本论文选题背景和研究内容 10

第2章 Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料的合成及测试方法 12

2.1 引言 12

2.2 实验药品与仪器 12

2.2.1 实验药品 12

2.2.2实验仪器 13

2.3 Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料的合成 13

2.4 钒钛氧的合成 14

2.5 Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料和钒钛氧的结构表征 14

2.5.1 X射线衍射分析(XRD) 14

2.5.2 能谱仪(EDS) 15

2.5.3 扫描电子显微镜(SEM) 15

2.6 电池的组装 15

2.6.1 电极制备 15

2.6.2 组装电池 16

2.7 恒电流充放电测试 17

第3章 Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料的表征及电性能研究 18

3.1 引言 18

3.2 Fe₂(MoO₄)₃纳米颗粒/石墨烯复合材料与钒钛氧的表征 18

3.2.1 XRD分析 18

3.2.2 EDS分析 19

3.2.3 SEM分析 20

3.3 锂镁混合电池的电性能分析 21

第4章结论与展望 25

4.1结论 25

4.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章绪论

1.1 引言

19世纪中叶，人类开始进行第二次工业革命，随着电灯的问世，电能首次进入人们的世界，并在人类世界中扮演越来越重要的角色，100多年来，各种电器产品已经成为人们生活必不可少的物品。同时，随着经济的快速发展，人类对能源的需求正在逐年增加，因此造成的能源危机和环境污染等多种问题是对人类可持续发展的重大挑战，开发新型能源势在必行。近年来，风能、太阳能等可再生型清洁能源正在大力发展，但这些能源并不稳定，无法满足大范围推广^[1]。锂离子电池由于拥有众多优势，已经成为人们日常生活中必不可少的电源，然而，锂在地壳中储量有限，仅为0.0065 %，属于自然界中的一种稀有金属，并且分布极不均匀，这严重限制了锂离子电池的进一步发展。镁和锂位于元素周期表对角线的位置，物理化学性质相似，表1.1是锂元素与镁元素电化学性质对比表。

表1.1 Li、Mg电化学性质对比^[2]

金属

原子量

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