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摘 要

ABSTRACT 2

第一章 前言 3

1.1 锂离子电池简介 3

1.2 锂离子电池电化学反应机理 4

1.3 锂离子电池的结构 4

1.4 锂离子电池负极材料 5

1.4.1碳基负极材料 5

1.4.2硅基材料 6

1.4.3其他负极材料 8

1.4.4钒氧基化合物 9

1.5 课题研究内容和意义 9

第二章 实验过程 11

2.1 实验原料 11

2.2 仪器设备 11

2.3 N、V共掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法 12

2.4 锂离子电池的组装 13

2.4.1 工作电极的制备 13

2.4.2 锂离子电池的组装 13

2.5 N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜的结构与形貌研究 14

2.5.1 N掺杂纳米纤维薄膜的晶相，红外以及拉曼分析 14

2.5.2 N掺杂纳米纤维薄膜的热重以及元素分析 16

2.5.3 N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜的SEM图 17

2.6.1 恒流充放电测试 18

第三章 结论与展望 23

参考文献 24

致谢 27

摘要

锂离子电池作为现今最有前途的电池，它比铅酸蓄电池更加环保、质量更轻、体积更小，而相比于氢燃料电池，它更加安全，技术更加成熟。锂离子电池在手机、电脑和电动自行车等方面已经广泛应用，它将来必将拥有广大的市场。

本文概述了几种研究广泛的锂离子电池负极材料，而制作锂离子电池所用的负极材料为N、V共掺杂碳纳米纤维薄膜材料。制作方法是先用静电纺丝方法制得V掺杂碳纳米纤维薄膜，然后经过两步焙烧得到负极材料。通过XRD，FT-IR和Ranman表征，分析了N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜的物理性质。通过热重和元素分析来确定N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜中的钒和氮元素的含量。最后用恒流充放电测试、倍率以及循环性能测试来确定锂离子电池的各项性能。N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜在0.1 A/g下的比容量可达到1380 mAh/g，首次充放电的库伦效率高达62.5%。在6.4 A/g下循环500圈后，N掺杂V-O-C纳米纤维仍然保持很好的稳定性。相比于其他锂离子电池负极，我们制备的N掺杂V-O-C纳米纤维薄膜拥有良好的性能和广阔的应用前景。

关键词：锂离子电池 负极材料 碳纳米纤维薄膜 过渡金属氧化物

ABSTRACT

Lithium ion battery ,as the most promising battery today, is lighter, smaller and much more green than lead-acid batteries.Compared with hydrogen fuel cells,lithium ion battery is more security and its technology is more mature.LIBs has been widely used in mobile phones, computers and electric bicycle.It will have broad market in the future.

In this paper,we summarize several kinds of cathode materials of LIBs,and the cathode materials witch we used in LIBs is the N doped V-O-C nanofiber film.We get the N doped V-O-C nanofiber film through electrostatic spinning and two steps roasting. We analyze the physical properties of the N doped V-O-C nanofiber film through XRD, FT-IR and Ranman representation. By thermogravimetric and element analysis to determine the content of V and N in the N doped V-O-C nanofiber film .Finally,using constant current charge-discharge testing, multiplying power and cycle performance testing to determine the various properties of LIBs. The specific capacity of the N doped V-O-C nanofiber film can reach 1380 mAh/g at the current density of 0.1A/g and the coulomb efficiency of first charge and discharge is as high as 62.5%. The N doped V-O-C nanofiber film remains very good stability after the galvanostatic discharge-charge cycling test at 6.4 A g^-1 for 500 times.Compared to other lithium ion battery cathode,the N doped V-O-C nanofiber film with good performance and wide application prospects.

Keyword: Lithium ion battery cathode materials C nanofiber film

transition metal oxide

第一章 前言

锂电池可以说是现代生活中必不可少的动力之源，包括在笔记本电脑、手机、照相机、电钻、电动自行车等多个领域的应用都相当广泛。锂电池给我们带来了便捷、轻松、高效的现代化生活方式，解决了包括交通、通讯等多种需求，而在这当中，电动自行车用锂电池是应用程度最高、实用性最强、最符合普通老百姓需求的一个产品。

对于电动自行车来说，铅酸蓄电池作为主要动力之源，已经存在并发展了十余年之久，可以说，从电动自行车出现之始，铅酸蓄电池就被认为是最适用于这类产品的动力提供者，然而，随着消费者对电动自行车产品在外观、重量等方面的要求逐渐提高，而铅酸蓄电池产品也逐渐显现出环境污染、体积大、重量重等问题而被部分消费者诟病。同时，氢燃料电池虽然低碳环保，污染少，但其技术尚不成熟，任在开发中，没有投入到实用中，而且也存在安全问题。但锂离子电池与其他可充电电池相比，更加实用，受到人们的广泛关注。单一电池的电动势约4.1V，是其他电池的 2～3 倍 ，因而为了达到工作电压，只需少量小电池组合。锂离子电池的自放电速率较低(每月仅 2％～l0％)，有非常长的使用寿命(可反复充电1000次以上)、使用温度广(-20～ 60℃)、储存期限长 (超过5年)。锂离子电池无记忆效应；重量能密度 (～150W h／kg)是NiMH 电池的两倍，体积能密度 (400W h/L ) 是 NiCd电池的4倍。此外，锂离子电池还可做成高倍率放电电池。这些特性使锂离子电池相比于其他电池拥有更广泛的应用范围和更大的前景。

1.1 锂离子电池简介

一个锂离子电池主要由正极、 负极、 电解液及隔膜组成，外加正负极引线、安全阀、PTC（正温度控制端子）、电池壳等。锂离子电池又称为“摇椅电池”，是指以可供锂离子嵌入脱嵌的物质作为正、负极的二次电池。 电解质一般采用溶解有锂盐的有机溶液，根据所用电解质的状态可分为液态锂离子电池、聚合物锂离子电池和全固态锂离子电池。

正极采用锂化合物 Li_XCoO₂、Li_XNiO₂ 、LiFePO₄或 Li_XMnO₂ ；负极采用锂-碳层间化合物 LiXC₆；电解质为溶解有锂盐 LiPF₆、LiAsF₆等有机溶液。

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