几种金属和氧化物基电极材料的纳米结构构筑和电化学性能研究

发布时间：2018-02-25 05:25

本文关键词： 结构构筑四氧化三铁二氧化锰锡氮掺杂碳锂离子电池水系锌离子电池纳米片空心纳米球　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：为了应对日益紧迫的能源危机和环境污染问题,人们对储能二次电池的需求日益增加,同时也对电池的性能提出了更高的要求。要开发出高比容量、长循环寿命、高稳定性的电极材料,依赖于材料结构的构筑和调控。本论文旨在以电极材料的结构构筑和电化学性能分析为导向,选择合适的方法对电极材料进行可控合成和结构构筑,并详细研究所得产物在锂离子电池、水系离子电池等储能领域的性能。分别选取了 Fe3O4、Sn和MnO2电极材料作为转换反应机制、合金机制和插入机制的代表材料,通过纳米化、碳复合等方法设计合成出不同的纳米结构,测试材料的电化学性能并研究其构效关系。本论文的主要内容如下:1、设计构筑了包覆氮掺杂碳的Fe3O4纳米片结构(Fe3O4F@NC)。吡咯作为氮掺杂碳源,被由静电作用吸附在Fe3O4纳米片表面的表面活性剂分子十二烷基硫酸钠固定在Fe3O4纳米片表面,被过硫酸铵氧化成聚吡咯,热处理后得到了 Fe3O4F@NC。对比氮掺杂碳包覆的Fe3O4纳米颗粒,Fe3O4纳米片复合材料展现出更为优异的电化学性能。可以通过调控吡咯的初始加入量,控制Fe304 F@NC复合材料中的碳含量。作为锂离子电池负极材料,碳含量44%时材料的电化学性能最好。在0.2 C的倍率下循环200圈后容量仍高于1000 mAh g-1,在1 C的倍率下循环500圈后容量仍保持662 mAh g-1且5 C的大倍率下循环200圈后容量保持600 mAh g-1,展示出良好的循环稳定性和倍率性能。Fe304 F@NC优异的电化学性能得益于Fe3O4纳米片的二维结构和氮掺杂碳材料的共同作用。2、设计构筑了均匀分散有Sn纳米颗粒的氮掺杂碳空心球结构(Sn@NC)。吡咯作为碳源,溶剂热合成的SnO2纳米球作为锡源和自牺牲模板,先得到聚吡咯包覆SnO2的核壳结构,700℃的热处理下,聚吡咯分解成氮掺杂碳和SnO2还原成金属Sn同步进行,且由于Sn低熔点的特征,使其在熔融状态下分散在空心碳纳米球中,最后得到的Sn@NC空心纳米球的外径约80-100 nm,内径约为50 nm,其中Sn纳米颗粒尺寸为5-30 nm。作为锂离子电池负极材料,Sn@NC表现出良好的电化学性能,在0.2 C的倍率下循环200圈后容量为1070 mAh g-1,在1 C的倍率下循环400圈后容量仍保持929 mAh g-1,且5 C的大倍率下循环500圈后容量保持500 mAh g'1 Sn@NC优异的储锂性能主要得益于氮掺杂碳的空心纳米球结构及其中分布均匀的Sn纳米颗粒的共同作用。同时我们分析研究了电极材料在循环过程中容量上升的原因,发现循环过程中凝胶状聚合物膜的可逆生成和分解以及循环后期增大的赝电容效应,会导致材料在循环过程中出现容量上升的现象。3、构筑了层状δ-MnO2纳米片褶皱结构,其中纳米片厚度在2 nm左右,平均横向尺寸约为200 nm。利用氧化石墨烯作为还原剂和自牺牲模板,在水热条件下一步法合成出具有褶皱结构的层状δ-MnO2纳米片。作为水系锌离子电池的正极,δ-MnO2纳米片与δ-MnO2微米球相比,无论是活化时间、比容量还是循环稳定性,δ-MnO2纳米片都要优于微米球。δ-MnO2纳米片在100mAg-1和200 mAg-1的电流密度下循环100圈后容量分别保持133 mAh g-1和100 mA hg-1研究了循环过程中Zn2+的嵌入机制,发现在放电过程中,δ-MnO2保持其层状结构,且层间距从0.719nm扩大到1.053nm。
[Abstract]:In order to deal with the increasingly urgent energy crisis and environmental pollution , the demand of energy - storage secondary batteries is increasing and the performance of the battery is higher . The results are as follows : 1 . The electrochemical properties of Fe3O4F@NC are studied .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM912

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