面向电化学储锂和催化的金属氧（硫）纳米结构的制备及性能研究

发布时间：2018-10-12 07:36

【摘要】：21世纪最重要的关注点是清洁可靠的能源供应,这与我们的日常生活、全球环境、经济和人类健康息息相关。随着IT行业的迅速发展,实际应用中对储能装置各项指标要求不断提高。随着移动信息设备的数量迅速增长,当前电池的设计能力已逐渐满足不了实际应用中的需求。在环境污染和能源危机日趋严重的今天,开发应用新能源变得越来越重要。然而,大部分自然界可直接提供的清洁能源如太阳能,风能因其间歇性和不可控的缺点,无法提供稳定的能源供给。而当前社会中的电动汽车的普及以及便携式电子产品的广泛应用,对存储设备的要求更高了,推动能源存储设备向更高能量密度和功率密度的发展。而电极作为锂离子电池的核心部分,电极材料的性能是决定电池性能好坏的关键因素,作为传统商业化的锂离子电池负极材料,因为其较低的理论容量(大约为372 mAh/g),无法满足锂离子电池对负极材料的高能量、大功率需求。而过渡金属氧(硫)化物纳米材料因其储锂机理的特殊性,具有高比容量,以及安全性能高、价格低廉、自然储量丰富等优点,是传统的商业化锂离子电池碳负极材料的理想的替代材料。并且过渡金属氧(硫)化物的催化性能也比较优异。但是,过渡金属氧(硫)化物的块体材料存在易粉化和低效率等不足。所以,开发面向电化学储锂和催化的纳米材料具有重要意义。本文主要研究了铜、钴、钛、锌等过渡金属氧(硫)化物Cu_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O、CoFe_2O_4、Ti+Sn体系、ZnCoS的制备及其储锂和催化性能。(1)通过牺牲Cu_2O模板的方法用2D的Cu_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O纳米片构造成了3D花状结构。在合成过程中,立方体盒子的Cu_2O不仅作为模板而且提供了Cu源。Cu_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O的形貌和结构通过XRD,TEM,SEM展示出来。Cu_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O独特的花簇状结构具有较高的表面积,有利于电解液对材料的浸润,同时可缩短锂离子的迁移路径。因此,纳米花状Cu_3V_2O_7(OH)_2·2H_2O具有高容量,稳定的循环性能,尤其是高达91.3%的初始库伦效率,使它成为一类有前途的锂离子电池负极材料。(2)首次通过简单的溶胶凝胶法合成了介孔八面体CoFe_2O_4作为锂离子负极材料。以前的报道显示,对锂离子电池电极材料来说,各向异性的八面体结构拥有很好的结构优势。介孔结构能够缩短Li+/电子扩散传播路径,缓冲体积变化,并且增加电解液和活性材料的接触面积。基于多孔结构,各向异性的八面体结构性能和多组分效应的结合优势,CoFe_2O_4显示了良好的电化学锂存储,具有高容量(在0.1 A/g循环200圈后992 mAhg-1)和超长循环寿命(在5 A/g下循环3000圈)。更重要的是,在循环100圈后,我通过电池拆解技术确定了八面体CoFe_2O_4的结构稳定性,这是其具有超长循环寿命的原因。(3)通过合理的设计合成了SnO_2和TiO_2邻接纳米晶体材料来作为先进的锂离子电池负极材料。因为TiO_2没有体积变化,所以用来作为稳定拥有大的体积变化的邻接SnO_2纳米粒子的结构框架,因此解决了电极材料易粉碎的缺点提高了电极材料的循环稳定性。SnO_2的理论容量高,确保了复合负极材料的高容量。基于组合优势选择和合理的结构设计的结合,目前样品提高了电化学负极性能,包括高容量,良好的循环稳定性,尤其是高倍率性能(在1 A/g下循环超过500圈,比容量为434 mAh/g),使其成为锂离子电池高性能负极材料的有前途的材料。(4)用水热法合成了ZnCoS实镜纳米材料作为析氢催化材料和锂离子电池负极材料。基于前驱体ZnS(en)0.5合成具有较多活性位点的ZnCoS实镜纳米粒子,对催化析氢具有比较低的起始过电位和比较高的正极电流,催化效率高,使其成为有前途的催化材料。
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【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TM912

【参考文献】