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摘 要

层状LiCoO₂是商业锂离子电池最先进的正极材料。在这项研究中，LiCoO₂作为锂离子电池转化型负极材料的应用第一次被提出。通过转换反应机制，良好的分散性，纳米颗粒形态来获得阳极材料能量容量的良好性能。在这里，我们认为具有高振实密度的粗钴酸锂仍在容量，倍率性能，循环稳定性方面显示有潜力的阳极性能。电极是通过X射线衍射，X射线光电子能谱，场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行分析。电化学性能采用循环伏安法和恒流放电 - 充电试验研究。钴酸锂正极包括15 wt%的添加剂显示在100 mA g^-1电流密度下放电容量为320 mA h g^-1在1000 mA g^-1下仍有大约150 mA h g^-1的容量。通过增加添加剂到40 wt%，在1000 mA g^-1电流密度下仍可获得放电容量为560 mA h g^-1，添加剂为75.7 wt%，在100 mA g^-1可获得放电容量560 mA h g^-1。因此为锂离子电池的高性能的转化型阳极的开发提供了一个新颖的方法。

关键词：锂离子电池 LiCoO₂ 负极 置换反应

ABSTRACT

Layer-structured LiCoO₂ is the state-of-the-art cathode material of commercial secondary lithium-ion batteries (LIBs). In this study, for the first time, the application of LiCoO₂ as a conversion-type anode material for LIBs is proposed. In order to achieve favorable performance of anode materials with their energy storage via the conversion reaction mechanism, well dispersed and nanosize particulate morphology is typically required. Here, we report that coarse-type LiCoO₂ with high tap density still shows promising anode performance in terms of capacity, rate performance and cycling stability. The electrode is analyzed by means of X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, field-emission scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The electrochemical properties are investigated by cyclic voltammetry and constant current discharge–charge test. The LiCoO₂ anode containing 15 wt.% additives shows a discharge capacity of about 320 mA h g^-1 at 100 mA g^-1 current density and retains a capacity of approximately 150 mA h g^-1 at 1000 mA g^-1. A capacity of nearly 560 mA h g^-1 is still achieved at current density of 1000 mA g^-1 by increasing the additives to 40 wt.%, which is about 75.7% that at 100 mA g^-1. It thus provides a novel way for the development of high performance conversion-type anode for LIBs.

Keywords: Lithium ion battery；LiCoO₂；Anode；conversion reaction

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

文献综述 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 锂离子电池的发展 2

1.3 锂离子电池结构、工作原理及特性 3

1.4 锂离子电池关键材料概述 4

1.4.1正极活性材料 4

1.4.2电解质材料的选取 5

1.4.3负极活性材料 5

1.5 CoO_x作为负极材料的研究进展 7

1.5.1 CoO_x的嵌锂机理与性能 7

1.5.2 CoOx的改性 7

1.6 本课题的研究目的和内容 10

1.6.1研究目的 10

1.6.2课题内容 10

1.6.3 课题意义 10

第二章 材料的制备与实验研究方法 11

2.1 实验原料 11

2.2 实验仪器设备 11

2.3 活性材料的制备 12

2.4电池的组装 13

2.5实验样品的性能表征 14

2.5.1 X-射线衍射(XRD)分析 14

2.5.2场发射扫描电子显微镜(FSEM) 14

2.5.3透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM) 14

2.6电化学性能测试 15

2.6.1 恒流充放电测试 15

2.6.2 循环伏安测试 15

第三章 实验结果与讨论 16

3.1材料及电池的表征和分析 16

3.1.1粉体的XRD衍射图 16

3.1.2场发射扫描电镜(FSEM)分析 16

3.1.3循环性能测试及分析 18

3.1.4倍率性能的测试及分析 21

3.1.5透射电子显微镜（TEM）测试及分析 22

第四章 结论与展望 26

4.1结论 26

4.2展望 26

参考文献 27

感 言 29

第一章 文献综述

1.1 课题背景及意义

21世纪是人类社会、能源、信息及环境协调发展的时代，在人与环境的可持续发展道路中，能源与环境是人类社会生存和发展必须面对的两个严峻问题，开发新能源和可再生清洁能源是今后世界经济中最具决定性影响的五个技术领域之一^[1]。由于目前能源结构基本建构在石化燃料(石油、煤炭、天然气)的基础之上，这不仅造成了资源的耗竭也污染了环境，因此在新能源的开发中充分利用自然力如风力、潮汐力、生物质能、太阳能等有着重要的意义^[2-4]。由于这些能源的作用不连续，要大规模地利用这些自然力，需要有能量贮存器，因此要充分利用这些资源必须要有高效、低成本的电能储存系统其中化学蓄电池被广泛认为是最为理想的储能系统。开发蓄电池技术对于发展智能电网以及混合动力车和纯电动车都具有重要意义^[5,6]。

蓄电池按原材料分为四大类及铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、碱性蓄电池和锂离子电池。表1-1对用于储能和车用动力电池的化学电源的性能进行了比较，表中我们可以看出高功率锂离子蓄电池与金属氢化物镍蓄电池、铅酸电池和电化学电容器相比，具有比能量大、单体电压高和自放电小的优点，是未来储能和电动汽车用理想的高能动力源，这使锂离子电池的研究迅速成为当今的研究热点。

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