锂离子电池用钛基和锰基氧化物纳米阵列的制备、性能及储能机理研究

【摘要】近年来,随着清洁可再生能源,多功能便携电子设备和微纳机电系统的快速发展,对储能装置提出了更高的要求。锂离子电池与其它的储能装置相比具有高的能量密度,良好的循环性能和低环境污染等优点,是最具研究前景和发展潜力的储能装置之一。虽然锂离子电池已经得到了商业化应用,但其仍然存在着功率密度低,安全性能低等问题,需要进一步研究。目前锂离子电池的基础研究之一集中在新型电极材料的设计、修饰和改性方面。本论文将设计制备具有纳米阵列形貌的钛基和锰基锂离子电池正负极材料,并分别研究其在半电池和全电池中的电化学性能及储能机理,期望提供若干提高锂离子电池性能的思路。电化学阻抗谱分析是锂离子电池电极性能分析的一种重要手段,但现行的电化学阻抗谱分析方法在一定程度上存在着一些缺陷,本论文最后也将尝试通过对一些参数的修正,力求提供一种比较准确的阻抗谱分析方法。本论文主要研究内容包括：(1)以金红石二氧化钛(RutileTiO2,RTO)纳米线阵列为模板,通过固相反应得到钛酸锂-二氧化钛(Li4Ti5O12-TiO2,LTO-RTO)纳米线阵列复合负极。通过对比研究LTO和RTO不同比例的电极性能,我们得到了最佳的质量配比mLTO:mRTO=3:1。3:1比例的电极在半电池(对电极：锂片)和全电池(对电极：商用LiCoO2)中均展现出极其优良的电化学性能。在半电池测试中获得的容量(在175mAg-1电流密度下充放电时具有～181mAhg-1的比容量)几乎高于所有已报道的Li4Ti5O12负极的比容量,且展现出极其优良的循环能力和倍率性能。在全电池测试中可获得-2.3V的单体电压,展现了典型的充放电特征和超长的循环性能(约2.5C的速率下亦能循环3000余次)。基于上述实验结果,我们提出了Li4Ti5O12-TiO2复合电极的协同储能机理。(2)通过水热法合成了均匀、有序取向且与基底结合力稳健的二氧化锰(MnO2,M0)纳米阵列。以此M0阵列为模板,通过固相反应得到了锰酸锂(LiMn2O4,LMO)纳米阵列正极材料。通过半电池(对电极：锂片)和全电池(对电极：LTO-RTO负极)研究我们发现,在不需要其它任何修饰或改性的情况下,LM0电极依然表现出优异的电化学性能。在半电池中：5C倍率下循环400次,其比容量仍可保持初始值的66%。在全电池中：当充放电电流密度为500mAg-1时,200次循环后比容量的保持率达70%。我们认为有序纳米阵列的结构优势与LM0纳米棒多孔结构的有机结合是获得上述性能的重要因素。(3)针对电化学阻抗谱(electrochemicalimpedancespectroscopy,EIS)常规分析方法的缺陷,通过对双电层、电荷迁移电阻和韦伯因子等参数分析的修正,获得了一种比较准确的阻抗谱分析方法。最后通过新方法和常规方法分别对实验数据的处理,对比说明了修正的准确性。
【作者】郭峻岭；
【导师】刘金平；
【作者基本信息】华中师范大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；纳米阵列；TiO2；Li4Ti5O12；MnO2；LiMn2O4；EIS；

【参考文献】
[1]王晶.颞叶癫痫大鼠海马HIF-1α表达研究[D].华中科技大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[2]马波涛.Nrf2在液压冲击脑损伤抗神经细胞凋亡中的作用[D].河北医科大学,外科学,2014,硕士.
[3]康浩阅.门式刚架拓扑优化设计研究[D].西安建筑科技大学,结构工程,2013,硕士.
[4]张璠.十字花科植物的DNA条形码研究[D].山东师范大学,植物学,2013,硕士.
[5]夏凡.风电并网对系统暂态稳定性及调峰能力影响的研究[D].湖北工业大学,电气工程（专业学位）,2013,硕士.
[6]王福震.ZPF型在线品位分析仪[J].冶金自动化,1986,05:20-25+63.
[7]伦海波.Fe/C微电解-Fenton-生化组合工艺处理抗生素废水研究[D].燕山大学,环境工程,2014,硕士.
[8]樊凤阳.纳米金刚石载药及其对HL-60细胞凋亡作用的研究[D].吉林大学,2014.
[9]段春巧.转录因子Bcl-6/Blimp-1在原发性干燥综合征中的致病作用[D].河北医科大学,内科学,2014,硕士.
[10]王秀伟.开滦服务分公司“三供”系统运营模式改进研究[D].首都经济贸易大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[11]师殿峰.2013年高考“化学计算”分类例析[J].中学生理科应试,2014,04:45-50.
[12]张健.森林灭火手泵性能检测研究[D].北京林业大学,机械设计及理论,2003,硕士.
[13]王永平.鄂尔多斯市东胜区中学教师专业素质发展状况与建议[D].内蒙古师范大学,教育管理（专业学位）,2013,硕士.
[14]王梁.多层螺旋CT在进展期胃癌术前化疗临床疗效评估意义的研究[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2013,硕士.
[15]高强,童晓阳,刘志刚,钱清泉.基于AJAX的变电站嵌入式Web发布系统的设计与实现[J].电力系统自动化,2008,09:57-60.
[16]蔡秀免.高血压患者血压变异性与体质指数、左心室舒张功能的相关分析[D].福建医科大学,老年医学,2014,硕士.
[17]彭彬.双酶水解蚕蛹蛋白制备多肽的研究[D].齐鲁工业大学,生物工程,2014,硕士.
[18]刘竞择.施工企业投标生产要素价格确定及最优报价策略[D].长安大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[19]梅瀚.广东三峡移民住区规划与建筑改造设计研究[D].华中科技大学,建筑设计及其理论,2013,硕士.
[20]朱绘明.Wnt/β-catenin信号通路抑制剂XAV939对博来霉素诱导的肺纤维化修复作用的研究[D].南京大学,免疫学,2013,硕士.
[21]汤瑞湖.氨法制备铁黄颜料工艺研究[D].中南大学,冶金物理化学,2004,硕士.
[22]李承佑.近三十年来中医治疗原发性肾病综合征处方用药规律的初步探讨[D].北京中医药大学,方剂学,2013,硕士.
[23]郭海燕,王天荆,杨震.DCT域的语音信号自适应压缩感知[J].仪器仪表学报,2010,06:1262-1268.
[24]王明兵.基于GIS技术的无线电管理系统设计与实现[D].浙江工业大学,2012.
[25]杜楠.窄线宽铒镱共掺光纤激光器的研究[D].华中科技大学,光电信息工程,2013,硕士.
[26]何倩.我国商业银行汇率风险度量的实证研究[D].苏州大学,金融学（专业学位）,2014,硕士.
[27]李少远,田永青.模糊控制器的结构化分析及系统化设计方法[J].控制与决策,2001,04:435-438.
[28]丁苑.现代汉语作格动词研究[D].南京大学,汉语言文字学,2013,硕士.
[29]郎晓瑜.法务会计的相关问题研究[D].东北财经大学,2005.
[30]杨克绳.从地震信息看中国推覆与滑覆构造[J].石油地球物理勘探,1996,02:248-256+308.
[31]程瑞.输电导线及绝缘子在线监测系统的设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[32]林统,陈礼华,应兆江.高分辨率彩色微机图形显示系统[J].自动化学报,1988,04:277-280.
[33]于雯.任务型教学法在对外汉语初级口语教学中的应用[D].浙江大学,汉语国际教育（专业学位）,2013,硕士.
[34]赵婉莹.新型杀菌剂的研究[D].东北石油大学,石油与天然气工程（专业学位）,2013,硕士.
[35]张经纬.膜法脱硝改造项目工艺研究[D].天津大学,化学工程,2013,硕士.
[36]尹伟,曹渊,胡宝山,鲜晓红.一种新型双氧水电化学传感器设计[J].实验技术与管理,2014,12:74-76.
[37]程木.基于SOA非线性偏振旋转的光缓存器及其级联的研究[D].北京交通大学,2009.
[38]刘莹莹.留学生对多义副词“就”的习得顺序及教学研究[D].西南大学,语言学及应用语言学,2014,硕士.
[39]张庆鸿.锌与双酚A胁迫下福建牡蛎性腺差异表达蛋白的研究[D].厦门大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[40]刘金平,桂卫华,唐朝晖,朱建勇.基于Curvelet变换的浮选泡沫图像序列时空联合去噪[J].控制与决策,2013,09:1322-1328.
[41]潘越.天津市最低工资就业效应[D].天津财经大学,劳动经济学,2012,硕士.
[42]程家彦.我国商业银行金融产品创新风险及其对创新绩效的影响研究[D].武汉纺织大学,企业管理,2014,硕士.
[43]戚海军.低影响开发雨水管理措施的设计及效能模拟研究[D].北京建筑大学,环境工程（专业学位）,2013,硕士.
[44]黄永葛.加快福建省港湾航道发展的若干思考[J].福建水产.2002(03)
[45]韩敬涛.AMT换档规律的研究[D].上海工程技术大学,车辆工程,2011,硕士.
[46]本报驻美国记者毛黎　本报驻俄罗斯记者张浩本报驻德国记者顾钢本报驻法国记者李钊本报驻英国记者何屹本报驻日本记者陈超本报驻南非记者李学华本报驻以色列记者郑晓春本报驻加拿大记者杜华斌本报驻乌克兰记者程刚本报国际部.2008年世界科技发展回顾·新材料[N].科技日报,2009-01-08002.
[47]王鑫渊.卡托普利对盐酸吸入致大鼠急性肺损伤的影响[D].山西医科大学,麻醉学,2013,硕士.
[48]张彦坤.基于利率期限结构的债券定价实证研究[D].上海社会科学院,西方经济学,2012,硕士.
[49]席裕庚.注重控制科学的方法论研究[J].自动化学报,2002,S1:85-91.
[50]左萌,孙方涛.美国专利无效案件中“既决事项”初探[J].知识产权,2013,08:86-90.