四氧化三锰纳米材料的制备及其锂离子电池性能研究

发布时间：2017-07-08 21:09

  本文关键词：四氧化三锰纳米材料的制备及其锂离子电池性能研究

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【摘要】：由于高的比容量(150 Wh kg~(-1))和能量密度(400 Wh L~(-1)),锂离子电池受到了广泛的关注。锂离子电池在一些轻质的、便携的设备上(例如手机,笔记本电脑,数码相机等)具有广泛的应用,此外在潜水和宇航等领域也有重要应用。众所周知,活性炭作为锂离子电池负极材料已经工业化了,然而碳基的锂离子电池负极材料理论比容量值仅仅有372 m A h g~(-1),而且容量衰减很快,大大制约了高能量动力电池的发展,因此迫切需要寻找一种具有高比容量的负极材料。纳米材料由于比较大的比表面积,短的离子扩散通道等优点,受到广泛关注。过渡金属氧化物纳米材料由于具有高的理论容量(450~(-1)500 m A h g~(-1)),安全性能更优异,是一种有潜力替代碳材料的锂离子电池负极材料。Tarascon等人发现过渡金属氧化物纳米材料可以提高锂离子的反应活性。四氧化三锰(理论容量:937 m A h g~(-1))是过渡金属氧化物中的一种,由于无毒,廉价和在自然界中储量丰富等优势,成为锂离子电极材料研究的热点。在本论文中,以KMnO_4和H_2C_2O_4·2H_2O为原材料,通过简单的水热合成法获得了形貌好的四氧化三锰四方双锥,SEM和HRTEM图片证实四氧化三锰四方双锥的表面为高指数晶面(101)晶面。从晶体学的角度,分析了反应中间产物碳酸锰(MnCO_3)和羟基锰(Mn OOH)和产物的几何结构,提出了产物四氧化三锰四方双锥的生长机理。电化学测试结果证实此电极的初始容量为1141.1 m A h g~(-1)。在0.2 C的电流密度下,此电极仍然可以保持822.3 m A h g~(-1)的可逆容量;此电极的初始库伦效率为66%,之后一直保持100%。此外,另外以KMnO_4和Mn SO_4为原料,用水热合成法制备了二氧化锰纳米棒前躯体。在280℃条件下,在H_2/N_2气氛下,在管式炉中还原二氧化锰纳米棒得到了四氧化三锰纳米棒。恒电流充放电数据表明:四氧化三锰纳米棒电极的初始放电容量为1041 m A h g~(-1)。在0.1 C的充放电电流密度下,充放电80圈之后容量还可以保持691.1 m A h g~(-1),而且其倍率性能很好。
【关键词】：水热合成 四氧化三锰 纳米材料 锂离子电池
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ137.12
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 锂离子电池应用背景12
• 1.2 锂离子电池简介12-15
• 1.2.1 锂离子电池工作原理12-14
• 1.2.2 锂离子电池的优势14-15
• 1.3 锂离子电池负极材料分类及四氧化三锰研究进展15-21
• 1.3.1 锂离子电池负极材料分类及介绍15-16
• 1.3.2 四氧化三锰研究进展16-21
• 1.4 论文目的及研究内容21-22
• 参考文献22-26
• 第二章 实验方法和测试方法26-34
• 2.1 X射线衍射分析(XRD)26
• 2.2 扫描电子显微镜分析(SEM)26-27
• 2.3 透射显微镜电镜(TEM)27-29
• 2.3.1 分辨率27-28
• 2.3.2 透射电镜成像原理28-29
• 2.4 X射线光电子能谱(XPS)29
• 2.5 线性循环伏安法(CV)29
• 2.6 四氧化三锰电极的组装29-30
• 2.7 水热法简介30-32
• 参考文献32-34
• 第三章 四氧化三锰四方双锥的制备及其锂离子电池性能研究34-58
• 3.1 实验部分34-36
• 3.1.1 主要试剂34-35
• 3.1.2 四氧化三锰的制备35-36
• 3.2 四氧化三锰的表征和测试36-43
• 3.2.1 物相分析(XRD）36
• 3.2.2 形貌分析(SEM和TEM)36-43
• 3.2.3 价态分析(XPS)43
• 3.3 四氧化三锰四方双锥结构分析及其生长机制43-50
• 3.3.1 尖晶体石结构简介43-45
• 3.3.2 四氧化三锰四方双锥生长机理分析45-50
• 3.4 四氧化三锰四方双锥的锂离子电池性能研究50-53
• 3.4.1 循环伏安曲线50-51
• 3.4.2 Land充放电测试51-52
• 3.4.3 循环性能测试52-53
• 3.4.4 倍率性能测试53
• 3.5 本章小结53-55
• 参考文献55-58
• 第四章 四氧化三锰纳米棒的制备及其锂离子电池性能研究58-68
• 4.1 实验方案58-59
• 4.1.1 二氧化锰纳米棒的制备58
• 4.1.2 二氧化锰纳米棒的还原58
• 4.1.3 四氧化三锰纳米棒电极的制备58-59
• 4.2 四氧化三锰纳米棒的表征测试59-62
• 4.2.1 物相分析(XRD)59-60
• 4.2.2 形貌分析(SEM和TEM)60-62
• 4.3 四氧化三锰锂离子电池性能测试(land)62-65
• 4.3.1 充放电曲线测试62-63
• 4.3.2 循环性能测试63-64
• 4.3.3 倍率性能测试64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第五章 总结68-70
• 第六章 致谢70-72
• 攻读学位期间发表的学术论文目录72

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