新型锂离子电池负极材料Mn2SiO4的电化学性能及改性研究分析 电气工程管理专业VIP专享VIP免费

摘要近年来由于在便携式设备、新型交通工具以及航空航天等领域的优越表现，锂离子电池越来越受到人们的重视。Mn2SiO4负极材料由于其出色的理论容量、较低的电压平台等优点而有望成为下一代锂离子电池负极材料。本文选取Mn2SiO4材料作为研究对象，使用溶胶-凝胶法对材料进行制备，使用X射线衍射分析、场发射扫描电镜分析、热重分析、充放电测试分析、循环伏安分析以及电化学阻抗分析等方法对材料的微观结构、微观形貌、电化学特性等方面进行了详细地分析，并对Mn2SiO4材料的充点电工作原理进行了研究。本文采取溶胶-凝胶法成功制备了Mn2SiO4材料前驱体干凝胶，确定了其成相温度需大于700℃，晶胞参数为a=4.90Å,b=10.61Å,c=6.26Å。制备了不同煅烧温度下Mn2SiO4材料式样，分析比较了其微观形貌及电化学性能，结果表明：煅烧温度900℃时，得到的材料微观颗粒直径最小，为200~300nm；其第一次循环的放电容量为754.1mAhg-1，50次循环后容量保持率最高，为64.6%。通过非原位XRD、XPS等测试推测其首次循环工作原理为：放电过程中，Mn2SiO4分解为Li2SiO3，MnO以及Mn；充电过程中Mn被氧化为Mn2+，少量SiO44-的转化为SiO2。为了改善材料的电化学性能，分别采用加入PVP以及加入CNT等分别对原始材料进行改性。本文通过加入不同质量的PVP（Mn2SiO4与PVP质量比分为8:1，6:1，4:1）对Mn2SiO4材料进行了改性。结果表明：质量比为8:1和6:1的材料性能并未得到明显改善，质量比为4:1的材料微观颗粒直径降低至150~200nm，50次循环后仍有413.9mAhg-1的容量，容量保持率提高到了72.9%。此外，材料在高电流密度下的倍率性能也得到了明显改善；交流阻抗实验显示，材料的电荷转移电阻得到了一定程度上的降低。采用加入CNT来改善材料的导电性以及微观形貌，实验结果表明，CNT的加入减小了材料颗粒的粒径（50~150nm），50次循环后容量依然保持在472.9mAhg-1，循环稳定性大幅提高。此外，材料在大电流密度下的倍率性能大大改善，尤其电流密度为1000、2000mAg-1时改善效果最为明显。交流阻抗实验显示，材料的电荷转移电阻从298.7Ω降低到249.1Ω。关键词：锂离子电池负极材料Mn2SiO4PVP改性CNT改性ABSTRACTNowadays,Liionbatterieshavearisenpeople’sattentionbecauseoftheirexcellentperformanceinportableelectronicdevices,aerospaceandotherareas.Mn2SiO4,withhightheoreticalcapacityandlowvoltageplateauhasbecomeastrongcandidatefornextgenerationofanodematerials.Inthispaper,Mn2SiO4hasbeenchosenassubjectandstudied.Inthiswork,Mn2SiO4wassuccessfullysynthesizedthroughthesol-gelmethod.Characterizationshavebeencarriedouttostudythecrystalstructure,microcosmicappearanceandelectrochemicalpropertiesofMn2SiO4,suchasXRD,FE-SEM,TG-DSC,cyclicvoltammetry,charge-dischargetestingandsoon.Also,thereactionmechanismofthismaterialisspeculated.ThexerogelofMn2SiO4waspreparedbythesol-gelmethodandtheformationtemperatureofMn2SiO4isabove700.Therefinedcellparam℃etersofMn2SiO4area=4.90Å,b=10.61Å,c=6.26Å.SamplesofMn2SiO4calcinedunderdifferenttemperaturewerealsoprepared.Comparingtheirmicrocosmicappearanceandelectrochemicalproperties,theresultsshowedthatthesamplecalcinedunder900showedthesmall℃estparticlediameter(200~300nm).Also,thedischargecapacityinthefirstcycleisabout754.1mAhg-1,andtheloopretentionisabout64.6%after40cycles.Also,thereactionmechanismofthismaterialisspeculatedincludingtheformationofLi2SiO3,MnOandMn.Moreover,PVPandCNTwereusedtoimprovetheperformanceofMn2SiO4.DifferentcountofPVPwasaddedinprimarymaterials(mMn2SiO4：mPVP=8:1,6:1and4:1).TheparticlediametersofMn2SiO4/PVP(4:1)werereducedtoabout150~200nm,andafter40cycles,thematerialstillhadthecapacityof413.9mAhg-1,theloopretentionis72.9%.Therateperformanceandchargetransferresistancewereimprovedaswell.第一章绪论本章在综述了锂离子电池相关的发展...