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摘 要

锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率低等优点。作为一类重要的化学电池，锂离子电池由便携式小型电器所用电池和潜艇、航天、航空领域所用电池，逐步走向电动汽车动力领域。在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下，交通工具纷纷改用储能电池作为主要动力源，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理想之选。然而，为了应用于电动汽车（EVs）等大型系统中，还需要付出大量的努力去探索具有较高的能量密度和功率的电极材料。负极材料是锂离子电池的关键组成部分之一。作为一种轻型锂离子电池负极材料，尖晶石型锰酸锌（ZnMn₂O₄）具有使用寿命长、安全性高和热稳定性好等特点，非常适合用于大功率储能及动力电源。然而，该材料电子电导率低，导致倍率性能差的缺点也是制约其发展的主要障碍。

本论文主要通过一步水热法制备ZnMn₂O₄和ZnMn₂O₄/CNT复合物。利用XRD来确定反应产物的物理组成和晶体结构，分析材料的电化学性能。采用扫描电子显微镜进行观察，从而获得所制备样品的形貌信息。将所制备的材料作为锂离子电池的负极材料，探究其电化学性能以及不同CNT含量的ZnMn₂O₄/CNT复合物的电化学性能。

关键词： 锂离子电池 负极材料 锰酸锌 多壁碳纳米管

One-step hydrothermal Synthesis of ZnMn₂O₄/CNT as Anode Material for Lithium Ion Batteries

Abstract

Lithium ion batteries (LIBs) have achieved large-scale applications in portable electronic devices because of their high energy density, long lifespan and environmental friendliness. However, for applications in large-scale systems such as electric vehicles (EVs), great efforts are still needed to explore ideal electrode materials with higher energy density as well as power density^[1][2].

Anode material is an important component of lithium ion batteries. ZnMn₂O₄ is the hopeful negative material of power lithium ion batteries for high capacity energy storage and vehicles owing to its excellent characteristic of lifespan, safety and high thermal stability. However, the poor electronic conductivity and rate performance of ZnMn₂O₄ may be the main barrier for its application.

In this paper, ZnMn₂O₄ and ZnMn₂O₄/CNT are prepared by one-step hydrothermal method. XRD was used to analyse the crystalline phase of as-prepared materials and its electrochemical properties.The morphology of as-synthesized samples was characterized by SEM. We use the as-synthesized materials as anode materials for lithium ion batteries in order to investigate its electrochemical performance and the electrochemical performance of ZnMn₂O₄/CNT based on the weight of CNT.

Keywords: Lithium ion battery； Anode materials； ZnMn₂O₄； MWCNT

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂离子电池概述 2

1.2.1锂离子电池历史发展进程 2

1.2.2锂离子电池的分类 3

1.2.3锂离子电池的结构及工作原理 3

1.3 锂离子电池负极材料的研究进展 5

1.3.1 过渡金属氧化物负极材料的研究 5

1.4 该课题的研究内容和意义 7

1.4.1 课题研究内容 7

1.4.2 课题研究意义 7

第二章 材料的制备与实验研究方法 9

2.1 实验仪器设备 9

2.2 实验原料 9

2.3 材料的制备 10

2.4 电池的制备与组装 11

2.4.1 工作电极的制备 11

2.4.2 辅助电极及参比电极的制备 12

2.4.3 组装电池 12

2.5 实验样品的性能表征 13

2.5.1 X-射线衍射分析(XRD) 13

2.5.2 环境扫描电子显微镜(SEM) 14

2.6 电化学性能测试 14

2.6.1 恒流充放电测试 14

2.6.2 循环伏安测试 15

2.6.3 交流阻抗测试 15

第三章 实验结果与讨论 17

3.1 ZnMn₂O₄和ZnMn₂O₄/CNT复合物结构与形貌研究 17

3.1.1 粉体的XRD衍射图结构分析 17

3.1.2电镜图FESEM分析 18

3.2 电化学性能测试 21

3.2.1 ZnMn₂O₄电化学性能测试 21

3.2.2 ZnMn₂O₄/CNT复合物电化学性能测试 24

第四章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 29

参考文献 30

致谢 32

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