二维过渡金属氧化物纳米阵列的制备及其储锂性能研究

发布时间：2020-05-16 13:45

【摘要】：高新电子技术的迅猛发展和新能源电动汽车的日益庞大的市场需求,使得研究高能量密度,高功率密度以及超长使用寿命的锂离子电池迫在眉睫。其中对于电极材料的研究尤为重要。在诸多负极材料中,过渡金属氧化物,以其廉价易得,无毒环保,较高的能量密度等优势,被人们广泛关注。但是由于电极材料自身导电性差,直接导致了该类材料较差的倍率性能;另外,在充放电过程中的体积膨胀,进而导致材料本体粉化,影响电池整体的循环寿命。为了解决上述问题,可以对材料进行微纳结构的构筑,或与导电性良好的材料进行复合等方式,来实现对金属氧化物负极材料的改性。近来,二维(2D)超薄材料具有比表面积和独特的理化性质的优点,在电化学能量存储和转换领域引起广泛的研究兴趣。本论文通过拓扑转变的方式实现了二维超薄过渡金属氧化物纳米阵列的可控制备,并系统地研究了二维超薄纳米结构材料与其储锂性能的本质关联,提出了利用有序阵列优化储锂环境,降低材料维度来提升储锂活性的思想。论文的主要内容如下:(1)二维无定形Fe203纳米阵列负极材料构筑及其锂离子电池性能研究:首先采用超快速的恒电压沉积的方法制备Fe(OH)3纳米阵列前体,再通过高温焙烧得到了二维无定形Fe203纳米阵列。对照实验采用用水热法制备铁磁矿FeOOH纳米线,通过高温焙烧得到二维纳米带状Fe203。在0.1 A g-1的电流密度下,进行循环稳定性测试,经过60次循环,保持初始比容量的90%左右,从开始的1208.3降为了 1086.1 mAh g-1,而纳米带状材料比容量衰减为初始容量的50%左右(～600 mAh g-1)。在1Ag-1的大电流下循环1000次后,纳米阵列和纳米带状材料的比容量分别保持为630和170 mAh g-1。通过系列电化学测试证明,二维纳米阵列有着更高的比容量,优异的循环稳定性和倍率性能,这一结果表明二维纳米阵列结构的有着独特的储锂优势。(2)二维超薄C03O4纳米阵列负极材料构筑及其锂离子电池性能研究:采用超快速电合成的方法,制备了厚度分布从10 nm到2 nm的前体CoⅡCoⅢ-LDH纳米阵列,通过焙烧制备了不同厚度Co3O4超薄纳米阵列,成功实现了有序的片状纳米阵列厚度和孔道分布的精细调控。电化学性能测试证明具有超薄厚度(～3 nm)和大量介孔的Co304-T2纳米阵列具有优异LIB的电化学性能,在O.1Ag-1下具有2019.6 mAh g-1的高比容量,良好的倍率性能和显着的循环稳定性,在第80次循环后比容量仍然保持在1576.9 mAh g-1。而较厚的片结构(-10 nm)出现了活性位点利用低下,比容量较低的问题和过薄的片结构(～2 nm)出现了严重塌陷,造成比容量的快速衰减问题。通过对二维阵列的单维度的尺寸精细调控,揭示了“尺寸决定性能”的储锂理念。
【图文】：

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第一章绪论度的要求日益苛刻，因此高性能锂离子电池的开发和应用还有很长的路要２锂离子电池的组成及其工作原理与特点逡逑过多年的探索工作，对锂离子电池的工作原理研宄得出结论：一定电压驱在正极和负极之间的定向移动来进行充放电的二次电池。它在结构上主、隔膜和电解液等部分组成，对于商用电池会涉及到保护电路的器件。型锂离子电池的拆解示意图。逡逑于电池正负极电极材料的选择原则上，需要合理选取可以进行可逆地嵌子的化合物材料。电极材料作为其核心部件，直接决定锂离子电池的整如电池的能量密度、功率密度、使用寿命和安全性等。目前现在大范围电池的正极材料一般为含锂的过渡金属氧化物，如ＬｉＣｏＣｂ，负极材料主。逡逑

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第一章绪论逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－４邋ＳＥＭ邋ｏｆ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｍｅｔａｌ邋ｏｘｉｄｅ邋ｈｏｌｌｏｗ邋ｓｐｈｅｒｅ逡逑如图１－４所示，Ｓｈｅｎ等人［４８］开发了一种普遍适用的混合金属氧化物高效制备法，使用相对应金属甘油盐，首先合成实心球，随后在空气中热退火，得到具有复内部结构的均一的ＮｉＣｏ２0４中空球体，双层内芯结构体。该材料显示出高容量（可容量可达到９２８邋ｍＡ邋ｈ邋ｇ－１），良好的循环稳定性（在２００邋ｍＡ邋ｇ－１的电流密度下，循环１０次之后其可逆放电相应的容量高达７０６邋ｍＡ邋ｌｉ邋ｇ＿ｌ，为第二次循环放电容量的７８％）及优异的倍率性能（当电流密度分别为１５０，３００，，邋６００，１０００，２０００邋ｍＡ邋ｇ—１时，其逆容量分别为９２８，邋８３４，７４５，６６２和５３３邋ｍＡ邋ｈ邋ｇ－１。当电流密度重新变为１５０邋ｍＡ邋ｇ—１时，其可逆容量回到了邋８８５邋ｍＡｈ邋ｇ＿１）。逡逑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TM912

【参考文献】