过渡金属氧族化物纳米材料的制备及其作为锂离子电池负极材料研究

发布时间：2020-03-10 04:21

【摘要】：近年来,锂离子电池因其在能量密度、循环寿命、工作电压等方面的诸多优势而被广泛应用于各种电子设备之中。然而基于石墨的传统负极材料因为其过放性能差、倍率性能差等问题已经逐渐无法满足人们日益增长的需求。特别是在电动汽车问世之后,这一问题变得更加突出。因此,高容量、高安全性新型锂离子电池负极材料的研发就显得尤为迫切。在众多锂离子电池负极材料中,过渡金属氧族化合物因为理论容量高、储藏丰富、无污染等优点而备受关注,具有很大的潜在应用价值。然而过渡金属氧族化合物较低的首次循环效率、较短的短循环寿命严重制约了其作为锂离子电池负极材料的应用。针对上述问题,本文从材料结构的设计出发,通过制备具有特定结构的纳米材料,与导电材料复合以及在材料中引入缺陷等方法来提升材料的离子迁移速率和电导率,延长电池的循环寿命。主要研究内容和创新成果如下:一、多孔MnCo_2O_4纳米棒的制备及电化学性能研究。以草酸作为沉淀剂,利用共沉淀的方法制备了Mn_(0.33)Co_(0.67)C_2O_4纳米棒,将得到的前驱体置于马弗炉中在不同温度下处理,从而获得多孔MnCo_2O_4纳米棒。以所制备MnCo_2O_4纳米棒(MCO)作为锂离子电池负极材料时,充放电循环700次后其可逆容量仍可维持在1620mAhg~(-1)(电流密度:0.4Ag~(-1))。此外,所制备的MnCo_2O_4纳米棒还表现出良好的倍率性能,将电流密度增加至30Ag~(-1)时,其可逆容量仍可达533mAhg~(-1)。二、α-Fe_2O_(3-δ)纳米颗粒的制备及电化学性能研究。利用溶胶凝胶法制备了FeOOH与聚合物复合的前驱体。继而利用碳热还原的方法,以材料在热分解过程中生成的碳作为还原剂,通过部分还原材料中的Fe(III)的方法,制备了包含氧缺陷的α-Fe_2O_3纳米颗粒。氧缺陷的引入对材料的电化学性能有着极大地提升,特别是在容量、倍率性能、循环稳定性等方面。在2C(2014mAg~(-1))的电流密度下,充放电循环400次后,所制备材料的可逆容量仍然维持在1252mAhg~(-1)。将电流密度提升至40C时,其可逆容量仍可维持在188mAhg~(-1)。三、α-Fe_2O_(3-δ)纳米结构的制备及电化学性能研究。在考虑氧缺陷引入对于电化学性能影响的基础上,我们进一步考虑氧缺陷对材料结构稳定性的影响。利用水热法一步制备具有氧缺陷的α-Fe_2O_(3-δ)纳米结构。该方法中,我们选择以柠檬酸钠为还原剂,并且加入适量丙烯酰胺作为形貌控制剂,在水热条件下通过部分还原三价铁离子的方法实现了氧缺陷的引入。利用这种方法制备的α-Fe_2O_(3-δ)纳米材料表现除了良好的循环稳定性。在电流密度为400mAg~(-1)时,充放电循环800次后其可逆容量仍高达1192.4mAhg~(-1)。四、Co_9S_8/N-C空心球的制备及电化学性能研究。首先利用室温反应合成了ZIF-67空心球,随后通过原位碳化及硫化的方法将ZIF-67转变为了Co_9S_8/N-C空心球纳米球。所制备的空心球中,Co_9S_8纳米颗粒均匀分散于N掺杂的C中,从而构成了复合的空心纳米结构。所制备的空心纳米结构在用作锂离子电池负极材料时,表现了优异的电化学性能。在电流密度为1C(544mAg~(-1))时,充放电循环400次后,其可逆容量仍然高达784mAhg~(-1)。
【图文】：

生长机理,铜箔,纳米线,电流密度

图 1-1 CoO 纳米线在铜箔表面的生长机理。 Schematic illustration of the formation of CoO nanowires on co人利用类似的方法，，成功的让 FeOOH 纳米片生长之后通过在保护气中煅烧得到了多阶层的多孔 α-F 2 C (2.01 A g-1)的电流密度下，仍能保持 877.7 m电流密度提升至 20 C (20.1Ag-1)时，可逆容量仍然。

前驱体,机理,电流密度,可逆容量

图 1-1 CoO 纳米线在铜箔表面的生长机理。1 Schematic illustration of the formation of CoO nanowires on co人利用类似的方法，成功的让 FeOOH 纳米片生长之后通过在保护气中煅烧得到了多阶层的多孔 α-F在 2 C (2.01 A g-1)的电流密度下，仍能保持 877.7 m电流密度提升至 20 C (20.1Ag-1)时，可逆容量仍然。
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM912

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