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新型可充镁电池正极材料硅酸钴镁的制备及性能研究

作　者: 郑育培
导　师: 努丽燕娜
学　校: 上海交通大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 可充镁电池 正极材料 硅酸钴镁 碳修饰 电化学性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


由于金属镁具有能量密度高、价格低廉、对环境友好且操作安全等优点,使得可充镁电池在大负荷储能方面具有良好的应用前景。开发高比容量、高电压平台的正极材料是目前可充镁电池研究的重要方面。本论文在前期研究成果的基础上设计并制备出MgCoSiO4材料,对其作为新型储镁正极材料的可行性及电化学性能进行了研究。主要研究工作针对正极材料充放电过程中决定材料电化学性能的两个关键步骤即镁离子扩散和电荷转移展开。（1）从合成方法设计角度,采用高温固相法、熔盐法及混合溶剂热法制备出纯相MgCoSiO4材料（分别称为HSS-MgCoSiO4、MS-MgCoSiO4和ST-MgCoSiO4）。三种正极材料颗粒粒径逐渐减小,比表面积依次增加,特别是混合溶剂热法可以不使用模板及表面活性剂制备出介孔结构的ST-MgCoSiO4材料,表现出最佳的电化学性能。在0.1C倍率下放电容量达到167.0 mAh·g-1（约为理论容量的54.6%）,放电电压1.65 V vs. Mg。主要是因为介孔结构材料较大的比表面积可增加电解液与活性材料的接触,提供更多电化学反应位,提高电极容量;特殊的孔道结构可减小电子和离子的传输和扩散路径,并作为缓冲层,减小循环过程中的结构变化,提高电极速率性能和循环稳定性。（2）从正极材料的改性方面,本论文尝试采用super-P、多壁碳纳米管等碳源对MgCoSiO4进行非原位掺混、原位碳包覆以及CVD方法修饰材料颗粒。其中采用有机碳源的原位碳包覆无法得到目标产物。对于形貌规则、粒径较小的MS-MgCoSiO4,非原位super-P碳掺混在碳含量较高时起到负面作用,降低放电容量或电压平台。非原位掺混CNT经热处理后能够形成与正极材料颗粒紧密接触的导电网络,使MS-MgCoSiO4稳定放电平台达到1.7 V vs. Mg以上。采用CVD方法将N-ST-MgCoSiO4（采用纳米SiO2作硅源制得）材料中的CoO杂质还原为Co,作为催化剂生长CNTs。制备的硅酸钴镁/CNT复合物由于碳纳米管构成的特殊网状结构,使正极材料能够更快更充分地与电解液接触,加速镁离子迁移与电荷传输,大大缩短了电极活化过程。稳定状态时N-ST-MgCoSiO4/CNTs放电容量达214.8 mAh·g-1（理论容量的70.3%）,且低电压嵌镁容量增加。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章 绪论  11-35
  1.1 引言  11
  1.2 可充镁电池的研究成果及关键问题  11-13
  1.3 镁的表面化学及反应机理  13-17
  1.4 可充镁电池一代及二代电解液体系  17-21
  1.5 正极材料体系  21-33
    1.5.1 过渡金属硫化物  21-24
    1.5.2 过渡金属氧化物  24-30
    1.5.3 聚阴离子型化合物  30-32
    1.5.4 其他化合物  32-33
  1.6 论文的选题依据及主要研究内容  33-35
第二章 硅酸钴镁正极材料的制备及研究  35-59
  2.1 引言  35
  2.2 实验部分  35-40
    2.2.1 实验仪器及药品  35-36
    2.2.2 一代（Mg(AlCL_2EtBu)_2/THF）电解液的制备  36-37
    2.2.3 MgCoSiO_4 正极材料的制备  37-39
    2.2.4 正极材料的结构表征及电化学性能测试  39-40
  2.3 实验结果与讨论  40-57
    2.3.1 高温固相法制备材料的结构表征及电化学性能测试  40-44
    2.3.2 熔盐法制备材料的结构表征及电化学性能测试  44-49
    2.3.3 混合溶剂热方法制备材料的结构表征及电化学性能测试  49-57
  2.4 本章小结  57-59
第三章 硅酸钴镁正极材料的改性研究  59-77
  3.1 引言  59
  3.2 实验部分  59-63
    3.2.1 实验仪器及药品  59-60
    3.2.2 MgCoSiO_4 正极材料的改性实验  60-62
    3.2.3 改性材料的结构表征及电化学性能测试  62-63
  3.3 实验结果与讨论  63-75
    3.3.1 高温固相法改性材料的结构表征及电化学性能测试  63-65
    3.3.2 熔盐法改性材料的结构表征及电化学性能测试  65-69
    3.3.3 混合溶剂热法改性材料的结构表征及电化学性能测试  69-75
  3.4 本章小结  75-77
第四章 结论与展望  77-79
  4.1 结论  77-78
  4.2 展望  78-79
参考文献  79-87
致谢  87-88
攻读硕士学位期间已发表或录用的学术论文  88

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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