铁钴锰金属氧化物纳米材料的合成及电化学性能研究

发布时间：2017-11-29 04:24

  本文关键词：铁钴锰金属氧化物纳米材料的合成及电化学性能研究

  更多相关文章： 超级电容器 锂离子电池 静电纺丝 铁酸钴 二氧化锰 电化学性能

【摘要】：随着能源危机和环境污染问题日益明显,开发绿色可再生的新能源已经成为当今最热门的主题之一。而锂离子电池和超级电容器由于它们具有工作电压高、比容量高、功率密度大、循环使用寿命长、自放电率小和无污染等优点,被作为了最重要的新型储能设备之一。由于锂离子电池和超级电容器的实际应用在很大程度上取决于其电极材料,因此设计并合成出安全可靠,低成本的,性能优异的电极材料成为了学术和工艺两个方面的巨大挑战。与传统的碳基材料相比,过渡金属氧化物纳米材料作为电极材料为提高电极材料的可逆容量和功率密度等提供了很多的可能性。而金属氧化物纳米材料的性能很大程度上取决于其结构特点,比如材料的形貌、尺寸和结构稳定性等。因此控制合成形貌和尺寸统一的,结构稳定的纳米材料能在一定程度上改善电极材料的电化学性能。本文主要通过静电纺丝法和水热法合成形貌尺寸可控的,结构稳定的金属氧化物纳米材料作为电极材料,从而实现锂离子电池和超级电容性能的提高。主要内容概括如下：(1)通过静电纺丝法合成CoFe_2O_4/C纳米纤维阵列,利用了XRD、SEM和TEM等技术对电极材料的结构和微观形貌进行了表征。表征结果显示合成的CoFe_2O_4/C材料是具有网状结构的实心纳米纤维,其中纤维的直径在50-100 nm之间。用循环伏安和恒流充放电等电化学测试方法对其电容性能进行研究。结果表明,所合成的CoFe_2O_4/ C纳米纤维电极表现出优良的电化学性能,其单电极初始比电容量达0.82 F cm~(-2),4000个循环后的放电容量仍保持在初始容量的82%左右。研究表明CoFe_2O_4/C纳米纤维是一种比较有前景的电化学电容器电极材料。(2)将通过静电纺丝法制备出的CoFe_2O_4/C纳米纤维作为负极材料组装成锂离子电池进行性能测试。通过循环伏安曲线、充放电性能测试、循环性能测试及倍率性能测试等对其电化学性能作出分析。实验结果表明,在电流密度为100 mAg~(-1),电压窗口为0.01 V-3 V的条件下循环测试了100次。其中,前30个循环的循环性能是比较稳定的,其库伦效率也接近100%,其中首次放电比容量大约为973mAhg~(-1)。研究表明CoFe_2O_4/C纳米纤维是一种具有一定潜在前景的锂离子电池负极材料。(3)通过静电纺丝法结合水热法合成CoFe_2O_4/MnO_2/C纳米管阵列,利用了XRD、SEM和TEM等技术对电极材料的结构和微观形貌进行了表征。通过循环伏安曲线、充放电性能测试、循环性能测试及倍率性能测试等对其锂离子电池性能作出分析。实验结果表明,在100 mA g~(-1)的电流密度下,CoFe_2O_4/MnO_2/C纳米管表现出一个高达15806 mA h g~(-1)的初始容量和一个稳定的循环性能(250个循环后仍具有713.6 mAhg~(-1)的可逆容量)。通过对材料倍率性能的测试,我们发现铁酸钴纳米纤维在经过大电流充放电后,其充放电恢复能力是比较强的。相比CoFe_2O_4电极,CoFe_2O_4/MnO_2/C电极具有更好的循环性能和倍率性能。其增强的电化学性能主要归因于稳定的网状结构,碳缓冲层的存在,高的活性表面积以及MnO_2的高理论容量。另外,MnO_2纳米片作为保护层,在进行电化学反应时维持了CoFe_2O_4的结构完整性。研究表明CoFe_2O_4/MnO_2/C材料是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ340.64

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本文编号：1236198