用作微型鋰離子電池正極材料的納米結構纖維的合成與表征.pdf

1、本論文主要是探討利用溶膠-凝膠結合電噴技術合成納米結構纖維作為鋰離子電池的正極材料，并進一步調查纖維這種新形貌的材料在微型電池上的電化學性能。通過對纖維電性質的研究，以期提高纖維作為鋰離子電池正極材料的電化學性能。 第一章中主要介紹了溶膠-凝膠化學的發(fā)展以及這種方法的特點和基本原理。并詳細介紹了溶膠-凝膠過程的五個主要步驟包括前驅體的水解與縮聚、膠凝、老化、干燥以及熱處理過程。重點介紹了溶膠-凝膠過程中每一步的影響因素。接下來，

2、介紹了制備纖維的電噴技術，包括其發(fā)展歷史，基本原理和基本過程。對電噴裝置的改進主要包括對接收器和噴頭的改進，同時還介紹了影響纖維結構和形貌的幾個主要參數(shù)：電壓的影響；噴頭與接受板之間的距離；溶液的濃度以及溶劑的揮發(fā)性。在第三部分中，首先介紹鋰離子電池的發(fā)展，接下來介紹鋰離子電池的組成和基本原理。并詳細介紹了鋰離子電池正極材料：包括其重要地位以及對電池正極材料的性能要求；國內外鋰離子電池正極材料的發(fā)展狀況；選擇納米結構纖維做為電極材料的依

3、據(jù)。最后還對本課題的設計過程進行了介紹，并列舉了本論文獲得的主要結果。 第二章中采用醋酸鋰、醋酸鈷為原料，檸檬酸為螯合劑，利用溶膠-凝膠工藝結合單管電噴技術合成納米結構的LiCoO2纖維，電化學性質測試表明與塊體LiCoO2粉體相比，納米結構的LiCoO2的纖維具有更高的起始充放電容量，但同時也表現(xiàn)出更快的容量衰減。XRD和HRTEM技術對纖維充放電過程進行了跟蹤調查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)過程中，電解液與活性電極材料發(fā)生的一系列負面反應，導

4、致了鋰嚴重逃離生，另一方面也引起大量鈷從活性材料中溶解。因此電解質的分解和活性材料的溶解是導致明顯容量衰減的主要原因，為進一步提高電極材料的電化學性質提供了依據(jù)。 在第三章的工作中，主要是結合第二章中納米結構的LiCoO2的纖維所表現(xiàn)出的電化學性質的循環(huán)劣勢，通過對單管電噴裝置進行改進，以LiCoO2溶膠作為核溶液，以MgO溶膠作為殼溶液，利用雙管電噴技術制備了具有核殼結構的LiCoO2/MgO纖維。該方法一步實現(xiàn)了核殼材料的合

5、成，所得的LiCoO2/MgO纖維MgO包覆均勻，有效改變了纖維電極材料的電化學性能，在保持較高充放電容量的前提下，極大的提高了纖維電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。電化學性質測試證明：40次循環(huán)后核殼結構的纖維材料起始放電容量仍保持90﹪，而裸露的纖維電極材料放電容量已衰減一半。因此MgO涂層阻止了LiCoO2電極材料與電解液的直接接觸，從而避免了電極材料表面大量負反應的發(fā)生，有效阻止了電解液的氧化分解和鈷的大量溶解，穩(wěn)定了電極材料在循環(huán)過程中的

6、結構，提高了LiCoO2纖維電極材料的電化學性質。 第四章中，以偏釩酸氨和醋酸鋰為原料，以蘋果酸為螯合劑，通過電噴技術結合溶膠-凝膠化學成功實現(xiàn)了二維納米片的一維排列。在前驅體溶膠中，配位的釩離子不斷的聚合形成納米線，這些納米線進一步團聚形成方錘形的平行向列類晶團聚體，在電場的作用下這些方錘形的平行向列類晶團聚體可以沿著與納米線垂直的方向被拉伸，這導致具有新奇微結構的形成。燒結溫度和前驅體樣品的直徑大小對納米片的線性排列有著明顯

7、影響。500℃燒結后所得到的一維排列結構具有352mAh/g的起始充放電容量，經過40次循環(huán)之后，放電容量減小到255mAh/g。與納米片相比，納米片的一維組裝具有優(yōu)越的電化學性能，這種優(yōu)越的性能應該歸屬于Li1+aV3O8納米片一維排列所形成的新奇結構。 第五章主要是利用溶膠-凝膠化學，通過PVP來調節(jié)溶膠-凝膠過程中溶膠顆粒性質和微結構，結合電噴制備中空的LiNiO2纖維。本文通過調節(jié)PVP的含量，有效改變纖維的結構和形貌，

8、制備了不同結構的LiNiO2纖維。為了調查各種不同結構的纖維形成的原因，紅外和熱重以及SEM對纖維的形成進行了跟蹤調查，隨著水分和有機成分的不斷揮發(fā)，干凝膠纖維外部堅硬殼層的形成對于纖維不同形貌的形成起著重要的作用。在硬的殼層形成后，具有小的孔半徑的干凝膠纖維在大的毛細管壓力下的坍塌主要是在垂直于纖維表面的一維方向上進行，導致LiNiO2扁平的帶狀結構。PVP的添加導致溶膠表面張力明顯降低，從而引起凝膠纖維表面堅硬殼層的快速形成，有效避