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利用原位烧结制备MoO3/C锂离子电池负极材料文献综述

 2020-04-16 03:04  

锂离子电池与其它二次电池相比具有电压高、比能量大、质量轻、环境友好等优点,目前已经广泛应用于便携式电子产品和电动工具等领域,并有望成为未来混合动力汽车和纯动力汽车的能源供给之一。

锂电池,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世纪70年代时,M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生,其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制,现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低,放电电压平缓等优点,使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化,使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用,锂离子电池以优异的性能在这类产品中得到广泛应用,并在逐步向其他产品应用领域发展。1998年,天津电源研究所开始商业化生产锂离子电池。习惯上,人们把锂离子电池也称为锂电池,但这两种电池是不一样的。锂离子电池已经成为了主流。


锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。锂离子电池能否成功地制成,关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。一般来说,选择一种好的负极材料应遵循以下原则:比能量高;相对锂电极的电极电位低;充放电反应可逆性好;与电解液和粘结剂的兼容性好;比表面积小(lt;10m2/g),真密度高(gt;2.0g/cm3);嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好;资源丰富,价格低廉;在空气中稳定、无毒副作用。目前,已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料,如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金、纳米负极材料,以及其他的一些金属间化合物等。

负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一,锂离子电池能否成功地制成,关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。 已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。目前根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。在这里我们准备高温烧结有机前驱体的方法,制备了MnO3/C复合材料。利用XRD、SEM等手段对材料的化学组成和微观结构进行了分析;同时,对材料进行了恒流充放电和循环伏安等测试,研究复合材料的电化学性能。过渡金属氧化物在某些领域例如锂离子电池和超级电容器中作为能量储存和转换应用的一个关键型电极材料。在这些材料中,钼氧化物如MoO2和MoO3由于其高电化学活性,适合锂反应的电压和较为便宜的成本吸引了广泛关注。尤其是斜方晶系的三氧化钼(a-MoO3)由于基于完整的转换反应 MoO3 6Li = Mo 3Li2O,其极高的理论锂储存能力由此已经获得了大量的利益。此外,由MoO6八面体的独特的双层结构可以快速高效的留住锂离子,从而展现出了在大功率应用中的潜能例如超级电容器。然而,高容量的利用率主要受到MoO3阳极的绝缘性质(3.1 eV的带隙)和转换过程上的结构性退化的影响。为了获得高效且稳定的传递能力,材料需要被设计成很精细的微粒(5-20nm)或者为分层纳米结构以此来缓解上述问题。之前我们证明了有连线的碳纳米管可以显著改善MoO3阴极在锂加成反应(LiyMoO3)的稳定性。碳纳米管不仅作为高效的电线,同时也是MoO3/CNT复合的灵活的缓冲区。但是在利用MoO3作为阳极时这种策略可能不太适用于在转换为主导的反应过程中。一般来说,转换涉及严重的粒子粉碎和巨大的体积变化。由于点接触的本质,接有连线的CNT并不能包裹所有的MoO3纳米带及其退化性的损坏,因此MoO3/CNT仍会造成循环的不稳定。绕过这个限制,这里我们提出一个策略用缺氧的带有连线的CNT来实现与MoO3完全的电气连接。由缺氧形成的MoO2金属的阶段作为一个二次导电用来构建更好的电渗流。因此这个改良的MoO3电极展现出了突出的循环效率和倍率性能。


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