新型高比容量锂离子电池负极材料

《新型高比容量锂离子电池负极材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、密级中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作看姓名：墨堡指导教师：王逛翅班究虽生重型堂医物堡班嚣压学位类别：理堂谴±学科专业：赶鐾盔物堡研究所：主国型堂睦塑堡班壅压2013年5月BatteriesByYaMaoADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInstituteofPhysicsChineseAcad

2、emyofSciencesMay,2013摘要新型高比容量锂离子电池负极材料本论文围绕几类新型高比容量锂离子电池材料开展工作：(1)多孔富氮碳材料的储锂机理；(2)PPy—Fe—O配合物的化学合成、结构分析和储锂机理；(3)PPyr-NiO复合物中PPy．Ni．O配合物的电化学制备与形成过程；(4)聚噻吩系列配合物制备、结构分析与储锂性能。分别以明胶和三聚氰胺甲醛树脂为前驱体，以纳米CaC03为模板，在惰性气氛下700～9000C温度范围内热解得到多孔富氮碳材料，并研究了其多孔结构和氮元素的存在形式。多孔富氮碳材料具有高的可逆储锂比容量、稳定的循环性能和优异的倍率性能。这主要是由于多

3、孔结构提供了三维的锂离子扩散通道，有利于电解液与电极材料的充分接触，增加了储锂位；高的含氮量改变了碳材料的电子结构，引入了大量的结构缺陷，降低了锂离子的吸附能，增加了储锂容量。通过化学方法制备的PPy．Fe．O配合物具有高的可逆储锂容量(820mAhg-!)、稳定的循环·l生il(循环120周，容量稳定在910mAhg-I)和优异的倍率舯IsE厶匕日Fa，可作为锂离子电池负极材料使用。结合扩展X射线吸收精细结构测试(EXAFS)币I密度泛函理论(DFT)计算，确定其具有多层结构，层内Fe原子与吡咯单元上的N原子之间强的配位作用影响了整个吡咯环，使得聚吡咯上出现了新的储锂位置，显著提高

4、了材料的比容量。在充放电的过程中，多层结构发生了可逆变化：嵌锂时，层内的Fe-N键不变化，Fe．O键断裂；脱锂时，层问的Fe．O键可逆形成。在循环过程中层内稳定的Fe．N键的配位作用和层间可逆的Fe．O键的断裂和结合使得材料具有很高的储锂容量和稳定的循环性，而聚吡咯导电网络保证了材料优异的倍率性能。此外，通过对PPy．NiO复合物电化学活化，也可以得到具有多层结构的PPy．Ni．O配合物，并研究了其结构的形成过程。在放电过程中，NiO分解生成金属Ni和Li20的纳米弥散相。由于Ni纳米颗粒非常小，活性很高，Ni与包覆层PPy的N原子相互作用，形成强的Ni-N配位作用，削弱了吡咯环上的

5、C．H键及N．H键，并使之产生新的储锂位置，因而使得PPy呈现出电化学活性。PPy．Ni．O配合物具有与PPy．Fe．O相似的多层结构和相同的脱嵌锂机理。摘要将杂环聚合物由含氮原子的聚吡咯拓展到含硫原子的聚噻吩，尝试通过这种配位作用得到储锂容量高的聚噻吩配合物。通过化学方法制备出PTh．Fe和PTh．Fe．O材料，电化学测试发现这类物质具有高的储锂容量和优异的循环性能。结合EXAFS测试和DFT计算，研究了Fe原子和噻吩环上S原子之问的相互作用，得到了PTh．Fe的单层结构和PTh．Fe．O的多层结构，并提出了PTh．Fe和PTh．Fe．O的储锂机理：Fe原子与S原子之间强的配位作用

6、，减弱了噻吩环上键的作用，使其形成新的储锂位置，因而具有高的储锂容量。此外，PTh所构成的导电网络可以提高材料的倍率性能。这种过渡金属原子和聚合物中杂原子的配位作用，可以将杂环聚合物活化成为储锂容量高的负极材料。关键词：锂离子电池，负极材料，多孔富氮碳，聚吡咯，聚噻吩AbstractSomeNovelHigh--capacityAnodeMaterialsforLithiumIonBatteriesYaMao(CondensedMatterPhysics)Thisdissertationisdedicatedtothecomprehensivestudyoflithiumstorag

7、einsome‘novelanodematerialsforlithiumionbatteries，includingmesoporousnitrogen-richcarbonmaterials，polypyrrole—iron-oxygen(PPy-Fe-O)coordinationcomplex，electrochemicalfabricationofPPy-Ni-OcoordinationcomplexbyreductionofPPy-NiOcomp