碳酸钴锂负极材料的制备与改性研究

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1、碳酸钴锂负极材料的制备与改性研究(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：材料学院工程领域：材料工程申请人：殷娟娟指导教师：贺艳兵副研究员联合指导教师：赵玲高级工程师二○一七年五月StudyonPreparationandModificationofLithiumCobaltCarbonateAnodeMaterialsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofEngine

2、eringbyYinJuanjuan(MaterialsEngineering)ThesisSupervisor:AssociateProfessorHeYanbingAssociateSupervisor:associateSeniorEngineerZhaoLingMay,2017摘要摘要石墨作为锂离子电池的负极材料已有广泛的研究，但是由于其容量和密度偏低已难以满足新一代锂电池对高能量密度和便携性的要求，急需有更高的能量和体积密度的负极材料出现。作为一类典型的转换型负极材料碳酸钴的自然资源丰富，生产成本低廉。相对石墨负极来说，碳酸钴的电化

3、学性能更为优异、安全性能较好。但碳酸钴负极自身也存在一定的问题，例如导电性比较差，在充放电过程中体积变化比较严重。大量的研究工作表明，对其进行纳米多孔结构设计可显著提高碳酸盐负极材料的电化学性能，但是这种方法的制备比较复杂且成本较高，不利于碳酸盐商业化和实际推广。本文利用水热方法制备了CoCO3，通过变换钴源和反应时间等反应条件，合成不同组织结构和形貌的CoCO3，选取性能最佳的CoCO3并对其进行Zn掺杂改性并与导电材料复合，进一步提高其电化学性能，获得高密度Zn0.12Co0.88CO3/CNT复合负极材料。具体研究内容如下：(1)通过变

4、换钴源和反应时间，制备了三种不同微观结构(水滴型、短棒型和球棒混合型)的CoCO3材料，并分别测试了充放电循环性能，经过对比发现水滴型的CoCO3负极材料表现出最为优异的电化学性能。将CoCO3与石墨烯复合后，在0.1C电流密度50圈后仍然有容量642.1mAhg−1，而复合石墨烯的CoCO3容量仅为368.4mAhg−1，石墨片层结构在一定程度上可以缓减颗粒体积变化造成的应力，增大电子和离子传输速率，可提高其电化学性能。(2)制备了Zn掺杂CoCO3的产物，通过调整Zn和Co原材料的质量来控制Zn/Co的摩尔比，研究表明当Zn和Co的摩尔比

5、为0.3:0.7时，掺杂产物表现出优异的循环和倍率性能，锌离子的加入提高了的锂离子电导率，进而提高了整个电极的导电性。(3)为了进一步提高Zn掺杂CoCO3的倍率性能，制备了Zn0.12Co0.88CO3/CNT复合材料，在2C电流密度下Zn−10.12Co0.88CO3/CNT的容量仍然有610.7mAhg，而未掺杂和包覆的CoCO−13仅为232.2mAhg。Zn0.12Co0.88CO3/CNT优异的电化学性能主要是由于锌掺杂和碳纳米管包覆提高了导电性和锂离子扩散动力。与碳纳米管复合后，不仅因为碳纳米管是优良的电子导体，能够有效的减小电

6、荷转移电阻，而且其也可起缓冲作用，减缓Zn0.12Co0.88CO3颗粒在充放电过程中的电极坍塌。关键词：锂离子电池；碳酸钴；高振实密度；掺杂；碳纳米管IAbstractAbstractGraphiteasaanodematerialoflithiumionbatteryhasbeenwidelyapplid.However,itslowercapacityanddensityisdifficulttomeetthenewgenerationoflithiumionbatteries.Therefore,thereisanurgentneed

7、todevelopananodematerialforhighermassandvolumetricenergydensity.Asatypicalconversionanodematerial,cobaltcarbonateisrichinnaturalresourcesandlowinproductioncost.Comparedwithgraphiteanode,theelectrochemicalperformanceofcobaltcarbonateismoreexcellent,anditssafetyisbetter.Howev

8、er,therearesomeproblemsinthecobaltcarbonateanode,forexample,theconductivityispoor,