摘 要

锂离子电池作为一种绿色能源，受到了人们广泛的研究和关注，其比容量高，使用寿命长，重量轻和比功率大等优点在混合动力汽车等大型设备领域具有不可取代的作用。负极材料的选择对于锂离子电池的性能有重要的影响，Mn₂SiO₄负极材料因其较高的理论容量，循环过程中结构具有较好的稳定性而进入学者的视线。课题以溶胶凝胶法制备Mn₂SiO₄为出发点展开研究，比较不同烧结温度下得到的Mn₂SiO₄材料的微观形貌以及电化学性能。主要研究内容如下：

论文采用了溶胶凝胶法制备Mn₂SiO₄材料前驱体，通过TG-DSC和X射线衍射分析，要获得Mn₂SiO₄材料，煅烧温度要高于700℃。比较了700℃、800℃、900℃不同煅烧温度下样品的微观形貌发现，在900℃的烧结温度下得到的Mn₂SiO₄材料颗粒最小，其平均直径在200 nm左右。最后，我们用不同温度烧结的Mn₂SiO₄材料组装成扣式电池，进行循环伏安测试，循环充放电测试以及倍率性能测试，结果表明：0.75V左右的还原峰对应的是Mn² 转换成Mn⁰，0.40V左右的还原峰对应的是硅离子的还原，1.50V左右的氧化峰对应的是Mn⁰到Mn² 的转换，900℃下烧结出的Mn₂SiO₄样品的电化学性能最好，在100、400、800、1600 mA g^-1的电流密度下，其容量分别为480.5、352.1、282.9、195.6 mAh g^-1，比石墨类材料高很多。在100 mA g^-1的电流密度下循环40次后，其放电容量仍能达到341.8 mAh g^-1。

关键词：锂离子电池 溶胶凝胶 硅酸锰 负极材料

Electrochemical storage of Li in Mn₂SiO₄ materials based on conversion reaction

Abstract

As a kind of green energy, lithium ion battery has been widely studied and paid attention to. It has the advantages of high specific capacity, long service life, light weight and high power. It has an important role in the field of hybrid electric vehicles such as large equipment. The selection of negative materials has an important influence on the performance of lithium ion batteries. The Mn₂SiO₄ anode material has entered the view of the scholars because of its high theoretical capacity and good stability in the cycle process. The study is based on the preparation of Mn₂SiO₄ by sol-gel method. The micromorphology and electrochemical properties of Mn₂SiO₄ materials obtained at different sintering temperatures are compared. The main research contents are as follows:

Paper adopts Mn₂SiO₄ precursor materials prepared by sol gel process, by TG- DSC and X-ray diffraction (XRD) analysis, to obtain Mn₂SiO₄ material, calcination temperature higher than 700℃. Compared the 700℃, 800℃, 900℃ the microstructure of samples under different calcination temperature, found that under the sintering temperature of 900℃ for minimal Mn₂SiO₄ material particles, the average diameter of about 200 nm. Finally, we used Mn₂SiO₄ materials sintered at different temperatures to assemble a button-type battery for cyclic voltammetry test, cyclic charging and discharging test and multiple performance test. The results showed that: it is about 0.75 V peak corresponds to the reduction of Mn² converts Mn⁰, reduction peaks corresponding to about 0.40V is the reduction of silicon ions, oxidation peak corresponds to about 1.50V is the transfer of Mn⁰ to Mn² 900℃ sintering Mn₂SiO₄ samples of electrochemical performance is best, under the current density of 100, 400, 800, 1600, mA g^-1, its capacity were 480.5, 352.1, 282.9, 195.6 mAh g^-1, a much higher than that of graphite materials. After 40 cycles under the current density of 100 mA g^-1, its discharge capacity can still reach 341.8 mAh g^-1.

Key words: Li ion batteries; Sol gel; Mn₂SiO₄; anode materials

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂离子电池概述 1

1.2.1 简介 1

1.2.2 工作原理 1

1.3 锂离子电池正极材料 2

1.3.1 LiCoO₂材料 3

1.3.2 LiFePO₄材料 3

1.3.3 Li₂MnSiO₄材料 3

1.4 锂离子电池电解质 4

1.5 锂离子电池负极材料 4

1.5.1 嵌入脱出型材料 5

1.5.1.1 石墨类材料 5

1.5.1.2 钛基氧化物 5

1.5.2 合金化型材料 6

1.5.3 转换反应型材料 6

1.5.3.1 硅酸锌材料 6

1.5.3.2 硅酸铁材料 7

1.5.3.3 硅酸锰材料 7

1.6 制备方法 7

1.6.1 溶胶凝胶法 7

1.6.2 水热法 8

1.7 选题意义及主要研究内容 8

第二章 实验内容和方法 10

2.1 实验仪器及药品 10

2.1.1 实验仪器 10

2.1.2 实验药品 10

2.2 硅酸锰负极材料的制备 11

2.3 材料表征 12

2.3.1 TG-DSC分析 12

2.3.2 X射线衍射分析 12

2.3.3 表面形貌分析 12

2.4 电池的组装 12

2.5 电池性能测试 13

2.5.1循环伏安法 13

2.5.2恒流充放电测试 13

第三章 实验结果与讨论 15

3.1 Mn₂SiO₄前驱体凝胶的TG-DSC分析 15

3.2 X-射线衍射分析 15

3.3 Mn₂SiO₄材料的微观形貌 16

3.4 Mn₂SiO₄材料的电化学性能 17

3.4.1 Mn₂SiO₄材料的循环伏安特性 17

3.4.2 Mn₂SiO₄材料的充放电性能 18

3.4.3 不同烧结温度下Mn₂SiO₄材料的倍率性能 20

第四章 实验总结 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，在运输车辆和炼油行业，由于大量使用化石燃料，排放了许多有毒气体如CO、CO₂和碳氢化合物等，严重威胁人类的健康。因此，为了减少空气污染，人们将重点放在绿色能源，如太阳能和风能，它们可以被视为可持续经济增长的重要替代能源。然而，太阳能和风能以及电动汽车都需要高效的储能设备^[1-4]。常规使用的电池不能满足电动或混合动力汽车的要求，因为它们的能量和功率密度不够^[5]。锂离子电池具有能量密度高、循环性能好等优点，是目前最有前景的储能技术，预计将为上述应用提供动力。目前，它在小型电子产品市场占据了二十多年的主导地位，受到人们的喜爱，而且，随着人们环保意识的增强，也将逐步应用于其他领域，发展势头强劲。

1.2 锂离子电池概述

相关图片展示：