钴-铁双金属有机骨架衍生的硅/碳复合材料的制备及其电化学性能

硅拥有理论比容量高、锂化电压低和资源丰富的突出优势,是最具潜力的负极材料之一。然而,其巨大的体积变化导致的性能快速衰减和高成本的复杂合成工艺,仍是阻碍其工业化应用的关键。因此,我们通过将纳米硅嵌入到钴-铁双金属有机骨架(MOFs)中,制备得到多孔硅基复合材料(Si@CoFe/NC)。该结构兼具MOFs衍生材料的高导电性和独特的多孔特性,能有效的减缓充放电过程中电极的体积效应,因而展现出优异的电化学性能。所制备材料具有高达832 mAhg~(-1)(1Ag~(-1))的初始可逆比容量,且经过100次循环后,比容量依然维持在598mAhg-1。这项研究工作提出了一种简单的方法来制备具有优异电化学性能的硅基复合材料,在锂离子电池负极中具有较大的应用潜力。     

高温固相还原法制备新型锂离子负极材料NbO及其电化学性能

以Nb和Nb2O5粉末为原料,采用高温固相还原法合成NbO电极材料。通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、激光衍射粒度分析(LDSA)、充放电测试、循环伏安(CV)测试等手段对材料的结构、形貌及电化学性能进行表征,并通过原位XRD分析测试,探究NbO作为负极材料在锂离子电池中的反应机理。结果表明:NbO用作电极材料的平均嵌锂平台在1.6 V左右。NbO对锂的插嵌机理为锂离子的直接脱嵌,是1个单相转变过程。在0.05 C(C为充放电电流倍率)下,NbO和球磨处理后(Ball-milling)的NbO-BM的首次放电容量分别为220(mA·h)/g和280(mA·h)/g,经过50次循环后,剩余容量分别为170(mA·h)/g和220(mA·h)/g     

水热法制备Sn/C球复合材料及其电化学性能

以葡萄糖为碳源,锡酸钠为锡源,通过水热法制备Sn/C球复合材料。结果表明:样品的XRD峰均出现Sn的特征峰,Sn/C球尺寸为100 nm左右,粒径为10~30 nm的Sn颗粒被均匀地包覆在厚约30 nm的碳层中。考察不同水热时间对复合材料电化学性能的影响,水热时间6 h,烧结温度700℃,烧结保温时间2 h时,复合电极材料具有较高的可逆容量,首次可逆比容量为553.3 mAh/g,首次放充电(嵌脱锂)效率为74.7%,经100次循环后,充电比容量保持在500.2 mAh/g,循环效率为99.9%,具有较好的循环性能。     

化学镀Ni改性Li_4Ti_5O_(12)材料的制备及其电化学性能研究

为提高Li4Ti5O12的电化学性能和防气胀性能,结合固相法并用化学镀金属Ni对样品进行表面修饰改性,制备了Li4Ti5O12/Ni复合材料。使用X射线衍射(XRD)、Raman光谱、扫描电镜(SEM)对样品进行了物相分析和形貌表征,结果显示:合成的样品具有单一的尖晶石结构,Li4Ti5O12/Ni复合材料和Li4Ti5O12在拉曼光谱图上具有相同的频率振动特性,说明化学镀法表面修饰Li4Ti5O12/Ni复合材料并没有改变纯相Li4Ti5O12的结构,且样品的颗粒大小均匀、形状规则,颗粒尺寸在0.5~1.0μm范围内。采用充放电测试、循环伏安和交流阻抗对样品的电化学性能进行表征,结果表明:Li4Ti5O12/Ni复合材料在1C和5C倍率下首次放电比容量分别为149.8和132.5 mAh·g-1,循环50次后分别为144.1和124.0 mAh·g-1,容量保持率为96.2%和93.6%,表现出良好的倍率性能和循环性能,Li4Ti5O12/Ni的阻抗值明显小于纯相Li4Ti5O12。     

硅铜复合物电化学储锂性能分析

以Cu_3Si/Si复合物为锂离子电池负极材料,研究Cu_3Si组分对活性物质Si的电化学储锂性能的影响。结果表明,Cu_3Si并无储锂能力,但能够提升活性物质Si的循环和倍率性能。在200mA/g充放电流密度下,负极首次嵌锂比容量为1 345mAh/g,首次库伦效率为88.37%,经过100次循环后,材料的可逆比容量为698.7mAh/g。Cu_3Si/Si负极在200、500、1 000mA/g电流密度下比容量分别为1 346.22、754.33和564.78mAh/g。当电流密度重新回到200mA/g时,可逆比容量仍高达1 030.58mAh/g,体现出了良好的倍率性能。     

碳酸盐共沉淀法合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其电化学性能

以碳酸盐共沉淀法合成了Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3前驱体,然后以Ni1/3Co1/3Mn1/3CO3和LiOH·H2O为原料,合成出了层状锂离子电池正极材料Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2.通过XRD,SEM和电化学测试对Li Ni1/3Co1/3Mn1/3O2材料的结构、形貌及电化学性能进行了测试和表征.结果表明,800℃烧结12 h所合成的样品粒度大小分布比较均匀,以0.2 C充放电,其首次放电容量为153 mAh·g-1,循环30次后容量为140 mAh·g-1.     

氮化钒/纳米硅/碳复合微球的制备及其储锂性能

硅(Si)因拥有高的比容量,资源丰富等优势有望成为下一代高性能锂离子电池负极材料,但其导电性差和循环过程中体积膨胀严重等缺陷限制了其进一步应用。采用喷雾干燥法,以玉米淀粉、纳米硅和NH₄VO₃作为原料,经碳化与氮化后获得氮化钒/纳米硅/碳复合微球(Si@VN/C)。氮化钒的引入提供了电子/离子快速传输通道,提高了纳米硅的导电率,并使纳米硅保持了良好的结构稳定性。碳层将作为纳米硅颗粒的保护层,避免纳米硅与电解液直接接触,有效缓解纳米硅充放电后的体积膨胀。Si@VN/C展现出良好的循环性能,在0.2 A·g^-1电流密度下循环130圈后容量为818 mAh·g^-1,在0.5 A·g^-1高电流密度下循环300圈后可逆容量仍保持580.5 mAh·g^-1。     

过渡金属氧化物Co304的嵌锂性能及其改性

采用机械球磨制备了一定粒度的锂离子电池负极材料Co3O4. 电化学性能测试结果表明Co3O4首次嵌锂容量为990 mAh·g-1, 脱锂容量为395 mAh·g-1. 通过添加石墨类材料对Co3O4进行了改性研究. 充放电测试表明 通过长时间机械混合球磨处理后的一定粒度的改性材料首次脱锂容量可提高到632 mAh·g-1, 充放电循环15周后, 容量保持在408 mAh·g-1, 电化学性能优于单纯的Co3O4. 由此可见通过添加石墨类材料并进行机械球磨以改变材料的微观结构不仅可以提高材料Co3O4的可逆容量, 而且改善了其循环寿命.     

Ni/Co比例对LiCoxNi1-xO2电化学性能的影响

采用固相反应法合成了一系列LiCo_xNi_1-xO₂（0≤x≤1）材料,用XRD和电化学实验方法研究了Co³⁺取代Ni³⁺对LiNiO₂材料电化学性能的影响.结果表明,当Ni/Co比例为8:2时材料具有最好电化学性能,比容量可以达到170～180mAh/g,并且具有好的抗过充性能.     

凝胶注模法制备碳纤维/氮化硅复合材料的微观结构与力学性能

通过化学气相沉积在短碳纤维表面制备C/Si C复合涂层,然后采用凝胶注模法制备纤维体积分数分别为2%和4%的Cf/Si3N4复合材料,利用X射线衍射与扫描电镜对该材料的物相与组织结构进行分析,研究短碳纤维对Si3N4陶瓷力学性能的影响。结果表明:随碳纤维体积分数增加,Cf/Si3N4复合材料的密度和抗弯强度降低,但断裂韧性明显提高。当纤维体积分数为4%时,材料的断裂韧性达到8.91 MPa·m1/2,比氮化硅陶瓷提高1.6倍,材料主要由长柱状的β-Si3N4基体、C/Si C涂层及碳纤维组成,碳纤维表面的C/Si C双涂层可防止高温下碳纤维与氮化硅基体发生反应,使碳纤维与氮化硅基体界面结合良好,以提高材料韧性并保证有合适的强度,满足功能材料在一定条件下的使用要求。     

高温氢还原法制备纳米硅/石墨烯复合材料的结构与电化学性能

将Hummers法制备的氧化石墨烯(graphene oxide,GO)与纳米硅粉进行超声复合和高温氢还原,制备锂离子电池用纳米硅/石墨烯(Si/G)复合材料。利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射和Raman光谱分析,对Si/G复合材料的形貌与结构进行分析与表征,并测试其电化学性能。结果表明,通过高温氢还原,氧化石墨烯全部还原为石墨烯,无其它杂质相生成。石墨烯包覆在纳米硅颗粒表面,形成层状复合结构;与纯纳米硅粉相比,Si/G复合材料的电化学性能明显提高,在300 m A/g电流密度下,首次放电比容量为2 915.0(m A·h)/g,首次充电比容量为1 080.5(m A·h)/g,20次循环后比容量稳定在969.6(m A·h)/g,库伦效率为99.8%;而纯纳米硅粉的首次放电比容量和首次充电比容量分别为932.7和349.4(m A·h)/g,20次循环后比容量仅为6.4(m A·h)/g。     

石墨烯/二氧化锰复合材料的制备及其电化学性能

通过水热法在160℃条件下成功制备了手风琴状石墨烯/MnO₂复合材料.通过场发射扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线能量色散谱、BET法以及拉曼光谱对材料进行表征.结果表明,手风琴状二氧化锰与层状石墨烯之间具有十分高效的贴合,这种创新性设计有效地利用了石墨烯的高电导率、大比表面积以及二氧化锰的优秀赝电容行为.电化学测试结果给出在0.2 A·g^-1时,样品的比电容高达138 F·g^-1,数倍增强于单独的二氧化锰或石墨烯样品.     

微波烧结碳纳米管增强铜基复合材料的显微组织与力学性能

通过微波烧结与轧制相结合,制备碳纳米管(carbon nanotube,CNTs)增强铜基复合材料(CNTs/Cu),对该材料的显微组织、致密度、硬度和抗拉强度等进行分析与测试,并通过正交试验优化工艺参数。结果表明:CNTs的最佳含量(质量分数)为2.0%,在烧结温度为1 000℃,保温时间为30 min条件下制备的2.0%CNTs/Cu复合材料,CNTs均匀分散在Cu基体中,CNTs与Cu基体结合良好,材料致密度达到98.09%,维氏硬度(HV)为372,屈服强度和抗拉强度分别达到234 MPa和344 MPa,比微波烧结纯铜分别提高18%和24%左右。     

室温HPT制备SiC_p/Al复合材料的硬度分布特征

将纯Al颗粒和SiC颗粒混合,室温下采用高压扭转变形(HPT)制备试样,测定不同工艺参数下试样表面的显微硬度,绘制显微硬度—扭转半径曲线图,分析各试样的硬度分布特征。结果表明:由于高压扭转变形应变量的影响,SiCp/Al复合材料经HPT变形后,各试样表面硬度沿径向呈递增分布,边缘硬度值受飞边的影响较大;单一尺寸SiC颗粒强化的试样通过增大加载压力、增大扭转圈数或提高SiC颗粒体积分数可以提高试样的显微硬度值;采用双尺寸SiC颗粒最佳粒径配比或最佳体积配比更有利于提高试样硬度,通过优化双尺寸SiC颗粒粒径配比或体积配比,可以获得更高的试样硬度,且硬度分布更加均匀。     

无压浸渗法制备高体分比SiCp/Al

采用粉末注射成形/无压浸渗法成功制备出了SiC体积分数为63%的SiCp/Al复合材料．重点研究了主要工艺参数对SiC骨架及复合材料性能的影响规律．研究表明,采用粉末注射成形制备的SiC骨架经1100℃预烧后,仍具有很高的开口孔隙率,达到总孔隙率的97．9%．SiC颗粒经高温氧化处理后所生成的SiO₂薄膜可明显改善铝合金熔液与SiC颗粒之间的润湿性,显著提高复合材料的密度．通过对工艺参数的优化可使铝液较好地润湿SiC骨架,获得最高相对密度可超过97%的复合材料．     

高碳钢高温力学性能研究

在Gleeble-2000动态热模拟试验机上采用凝固法研究了高碳钢的高温力学性能.测定了tZD(零塑性温度)、tZS(零强度温度).在4×10-4/s应变速率条件下,所测钢种在熔点到750 ℃范围存在两个脆性温度区域,即熔点到1 300 ℃的第Ⅰ脆性温度区域和750～925 ℃的第Ⅲ脆性温度区域.在第Ⅲ脆性温度区域,γ单相AIN、NbN等氮化物在γ晶界的析出和在γ α两相区先共析α相呈网膜状,在γ晶界的析出是造成钢脆化的主要原因.通过控制钢中氮、铝含量,以及采用合理的冷却方式可以提高钢种的内在质量.     

湿法化学制备的超薄和极薄二氧化硅/硅膜的光学性能研究

二氧化硅薄膜至今依然属人们广泛研究的材料,这是因为当这种材料制备为高质量的超薄、极薄的氧化物时,可实际应用于不同方面,如超大规模集成电路（VLSI）的栅氧化层以及液晶显示屏（LCD）的生产。本文考察了厚度为3 nm和5 nm的极薄二氧化硅层的结构性质,这些薄层是通过适度掺杂n-型硅（100）晶片而形成。在形成氧化层之前用标准RCA方法清洁,并随后在氮气氛围中退火,部分样品在HCN溶液中钝化。本研究中用傅立叶变换红外光谱（FT-IR）技术获取了复合结构中不同类型的化学键信息。对SiO₂钝化试样和非钝化试样中的Si-O-Si的不对称伸缩振动分别用纵光(LO)和横光(TO)模式进行了鉴别,发现TO模式位置（约1 107 cm^-1）和振幅与试样的厚度无关。另一方面,LO模式的位置从约1 230 cm^-1（厚度约为1.5 nm）改变为1 244 cm^-1 左右（厚度约为4.5 nm）。根据红外光谱峰的偏移,认为超薄和极薄SiO_x复合结构并不均匀。对红外光谱获得的结果进行了反褶积处理并获取相关信息。用次级离子质谱分析法（SIMS,Secondary Ion Mass Spectrometry）考察了试样的原子组成,发现NH键的数量也与技术条件相关。基于记录的试样X-反射率数据的理论处理结果,用原始方法确定了材料的结构性质、层密度、表面粗糙度以及相应界面,并将所得结果与原子力显微镜所获得的结果进行了对比和讨论。借助于深能阶瞬态光谱学中的电荷变形,证实HCN溶液对二氧化硅/硅界面密度的强钝化影响。钝化后,发现新形成的界面深处缺陷阱其密度可以忽略不计,这是因为其形成原因与钝化过程中在界面处引入的NH原子对存在相关。     

具有微米纤维碳的硅/石墨/碳复合材料的制备及在锂离子电池中的应用

以沥青为软碳原料,商业石墨的载体材料,通过高温热解法成功合成了硅/石墨/碳复合材料,同时原位生成了微米尺度的碳纤维.该硅/石墨/碳复合材料具有诸多优点,石墨片层堆叠之间的空隙为硅的体积膨胀提供了有效的空间,沥青热解碳材料的包覆能一定程度抑制硅基材料的体积效应和提高其电子电导率,同时微米级的碳纤维能提高材料的长程导电性和结构稳定性,从而极大的改善负极材料循环性能.通过电化学测试表明,硅/石墨/碳复合材料中硅/石墨/碳复合负极材料在200 m A·g-1电流密度下具有650 m A·h·g-1的可逆容量,在200 m A·g-1电流密度下经过500圈循环后容量保持率为92. 8%,每圈的容量衰减率仅为0. 014%,展现了优异的循环性能.