纳米碳层包覆过渡金属氧化物的自组装合成及储能性能研究

发布时间：2020-05-13 18:48

【摘要】：随着便携式电子产品和电动汽车的快速发展,对锂离子电池的能量密度和功率密度的要求逐渐提高。目前商用的锂离子电池负极材料多是石墨材料,其较低的理论比容量(372 mAh/g)严重制约了锂离子电池能量密度和功率密度的提升。由于理论比容量高、来源广泛、环境友好等优点,过渡金属氧化物被认为是理想的锂离子电池的负极材料。但是其导电性差、电子迁移速率慢和严重的体积效应等弊端阻碍了其商业化应用。许多研究通过纳米技术和包覆改性技术,使过渡金属氧化物材料纳米化,或者表面包覆导电相材料,改善了锂离子电池性能。但目前的包覆改性技术均是多步法,分别合成过渡金属氧化物和包覆相材料,然后进行物理两相混合。这种物理多步包覆方法存在混合不匀、包覆厚度不能精确控制等缺点。针对过渡金属氧化物的包覆改性这一共性关键问题,本论文以部分过渡金属氧化物(Fe_2O_3,SnO_2,ZnO)为研究对象,综合纳米技术和碳层包覆技术,通过设计原位一步化学自组装方法,制备了弹性纳米碳层(无定形碳和薄层石墨)包覆的过渡金属氧化物,并应用到储能器件中,研究了其电化学性能。原位化学自组装为一步过程,可以通过有机物的添加量控制包覆层厚度。纳米碳层具有良好的电导率,能促进过渡金属氧化物的电荷传导;并且作为弹性缓冲层,能缓冲电极材料膨胀/收缩导致的机械应力,减缓过渡金属氧化物纳米粒子的体积变化,保持其结构稳定性;而且原位化学自组装制备的纳米碳层包覆过渡金属氧化物具有多孔结构和高的比表面积,能增加电极材料的储锂活性位点并减缓体积变化;此外,过渡金属氧化物与包覆碳材料具有协同效应,能催化碳材料石墨化,改善其电化学性能。1.采用分子静电自组装方法合成核壳结构的薄层石墨包覆的α-Fe_2O_3@graphite纳米花状复合材料,并应用到锂离子电池负极材料。在1 C的高电流密度下循环1000圈后,α-Fe_2O_3@graphite电极材料的比容量仍然高达518.5 mAh/g。2.通过一种简易的水热分子自组装方法成功制备出了新型蚕茧状结构的α-Fe_2O_3@C纳米颗粒,并组装成储能器件,研究其储能性能。Fe_2O_3@C纳米粒子在1 C的电流密度下,经过150圈充放电循环后,比容量为358 mAh/g。并以α-Fe_2O_3@C纳米复合材料为活性材料,以泡沫Ni为集流体制备了一种三明治结构的电极,应用于超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下比电容高达406.9 F/g。在10 A/g的高电流密度下经2000圈循环后,具有90.7%的容量保持率。3.利用植物纤维为模板,自组装制备了SnO_2@C纳米棒复合材料,并规避了传统方法中的模板脱去步骤。SnO_2@C复合材料表现出了更佳的循环性能和倍率性能。由一维纳米棒堆叠形成的3D纳米多孔SnO_2@C复合材料可以缩小Li~+嵌入/脱出距离,提高电子迁移率;此外,包覆的纳米碳层可以减缓SnO_2材料的体积变化,改善了SnO_2电极材料的循环性能和倍率性能。4.以锌盐和有机配体通过MOF配位自组装合成了ZIF-8前驱体,在高纯N_2气氛中煅烧制备了N-掺杂、碳包覆的3D多孔网络结构ZnO@C复合材料。ZnO@C具有良好的热稳定性,比表面积高达449.3 m~2/g;N-掺杂、碳包覆层能增强ZnO的导电性和结构稳定性,有效改善了ZnO材料的电化学性能。
【图文】：

武汉理工大学博士学位论文第 1 章 绪论离子电池研究背景经济社会发展，，各种便携式电子产品日益普及，电池作为一设备日益受到关注。我国已经成为电池生产与消费大国，面雾霾等各种环境问题，急需大力发展绿色能源。大多数绿色因素的影响，这也为能量储存的材料开发带来了巨大的研究学储能器件相比，锂离子电池(Li-ion Batteries，LIB)具有高能命等优势逐渐成为近年的研究热点。

的对 LIB 材料和系统进行研究开发[3]。离子电池发展简史子电池因为其重量轻、电化学电位高且在非水电解质中稳定了广泛的使用。有史以来的第一款电池是由 Alessandro Volt，被称为伏打电池[4]。随着 19 世纪中叶发电机的发明，对可需求开始增加，并导致了铅酸电池的出现。20 世纪末期，随产品(手机，摄像机，便携式计算机等)的发展，高能量密度电量需求。铅酸电池和镍镉由于具有环境污染的问题，都不适用。锂原电池在 20 世纪 60 年代末和 70 年代初被成功的进行着埃克森美孚 Li/TiS2系统的开发成功，可充电锂金属电池的展。自从 1990 年索尼公司制造出第一款商用锂离子电池以来生活的一部分，LIB 在过去的 20 多年里不断取得新的研究进车、负载平衡、传统绿色能源(太阳能，风能等)的储能等许多用。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB33

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本文编号：2662385