【摘 要】
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现如今,能源领域正日益发展,人们对能量存储设备的依赖性也越来越高。锂离子电池被认为是现代社会最有希望的绿色能源装置之一,已成为人类生活中不可或缺的一部分。因具有高能量密度和长循环性能,锂离子电池成为能量存储的最优之选。但是,随着技术的不断进步,许多产品需要使用更大功率和更高能量密度的电池组。而石墨负极由于有限的容量难以满足现在的市场需求。因此,需要探索其他更为先进的负极材料。金属铋具有较高的体积比
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现如今,能源领域正日益发展,人们对能量存储设备的依赖性也越来越高。锂离子电池被认为是现代社会最有希望的绿色能源装置之一,已成为人类生活中不可或缺的一部分。因具有高能量密度和长循环性能,锂离子电池成为能量存储的最优之选。但是,随着技术的不断进步,许多产品需要使用更大功率和更高能量密度的电池组。而石墨负极由于有限的容量难以满足现在的市场需求。因此,需要探索其他更为先进的负极材料。金属铋具有较高的体积比容量且环境环保。因此,已有大量研究将铋基材料用作锂离子电池新的负极材料。但在反应过程中材料体积膨胀严重,导致其结构坍塌,循环性能变差。本论文主要通过碳包覆的方法来有效解决上述问题,具体工作如下:(1)采用改进的熔盐法与机械球磨法相结合制备了BiPO4@C。所用实验原料均为量产,如五水硝酸铋、磷酸二氢铵等,有利于实现目标产物的高收率。通过半电池的组装,对BiPO4@C复合材料的电化学性能进行了研究。结果显示,在电流密度为100 m A/g时,经过100次循环后,BiPO4@C复合材料的比容量为278 m Ah/g,而经过1500次循环,其放电容量为210 m Ah/g。重要的是,当电流密度为1 A/g,经过5000次循环,其仍有100 m Ah/g的比容量,每次循环容量的衰减率为0.013%。BiPO4@C纳米复合材料用于锂离子电池负极材料电化学性能的提高可归因于在第一次循环的锂嵌入过程中,铋纳米粒子均匀分布在Li3PO4惰性基体和非晶态碳中。研究结果表明,所制备的BiPO4@C纳米复合材料可作为锂离子电池负极材料。(2)采用简单的熔盐法,以(BiO)2CO3为原料,实现了二维层状BiOCl纳米板和BiOCl@C复合材料的批量生产。BiOCl的纳米板结构为电子和离子的运输提供了可行的途径。但是,由于材料在反应过程中体积变化较大,导致结构不稳定、循环性差,限制了它在可充电电池中的实际应用。因此,本工作提出了将BiOCl纳米板锚定在碳基体上制备BiOCl@C复合材料。碳基体可以为Li+在插入/提取过程中提供了高导电网络和缓冲层,缓解了BiOCl纳米板的体积膨胀,提高结构稳定性。结果显示,在100次循环后,BiOCl@C的放电容量保持在410 m Ah/g,在第一次循环后,平均库仑效率可保持高达99%。这项工作为制备具有高体积能量密度的BiOCl@C负极材料提供了一种新方法,并有望成为应用于锂离子电池的潜在候选材料。(3)该工作采用固相反应和机械球磨相结合的方法制备了Bi2Fe4O9@C,并对其形貌、结构以及性能进行了研究。正如预期的那样,Bi2Fe4O9与石墨复合后电化学性能得到了提高。在100 m A/g电流密度下循环80次,Bi2Fe4O9@C的可逆充电容量为743 m Ah/g,远高于纯的Bi2Fe4O9(142 m Ah/g)。特别是Bi2Fe4O9@C复合材料在2 A/g时的可逆脱锂能力仍高达551 m Ah/g。本工作证明Bi2Fe4O9@C具有用作锂离子电池负极材料的潜在价值。
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