核壳结构过渡金属氧化物的制备及其电化学性能测试

发布时间：2017-04-27 15:29

  本文关键词：核壳结构过渡金属氧化物的制备及其电化学性能测试，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着锂离子电池在电动车和储能设备等大功率用电器具方面的应用越来越广泛,消费者需要商用的电池拥有高的能量密度、电压平稳和良好的循环性能,而电池的性能与电极材料的结构密不可分。过渡金属氧化物作为负极材料有较高的比容量和较低的脱嵌锂平台,引起了越来越多的关注。但其充放电过程中体积变化大,限制了使用寿命和倍率性能。所以,近年来一种核壳结构的电极材料被广泛用到锂离子电池中,实现核与壳的功能互补和复合,能有效改善电池的综合性能。同时纳米尺寸的电极材料能够缩短Li+和电子的传导路径,进而提高可逆性和循环稳定性。基于以上两点,本文通过简单的水热法、沉淀法和离子交换等方法制备了纳米尺寸的核壳结构过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料。(1)本文采用溶剂热法合成纯度高、分散性好、结构可控的小纳米球堆叠而成的Fe3O4纳米微球。再用超声沉淀法在Fe3O4表面包覆一层Mn3O4纳米片,形成核壳结构的Fe3O4@Mn3O4纳米微球。运用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电化学测试对其结构和性能进行了表征。经过电化学测试,Fe3O4@Mn3O4纳米微球在电流密度0.1C下的初始放电容量为1018 mAhg-1,循环200次后容量保持在639 mAhg-1。在这过程出现了容量先下降后上升的现象,容量上升的现象也曾经出现在过渡族金属氧化物中,原因可能是锂离子同电解液和核壳纳米粒的相互作用从表面逐步进行到内部,是一个逐步活化电极材料的过程。而单独的Fe3O4纳米微球的初始放电容量为940 mAhg-1,200次循环后容量保留率只有21.4%。(2)前一章已经成功的合成出了Fe3O4@Mn3O4协同作用的核壳结构材料,很大程度提高了电化学性能。为了进一步增强导电性,本章将牛血清白蛋白作为媒介物质,利用其中的组氨酸对特定金属离子的吸附特性来连接两种过渡金属氧化物,经过热处理后牛血清白蛋白作为碳层,制备出Fe3O4@C@Mn3O4多级核壳结构。为了探讨多级核壳结构的形成机制,改变牛血清白蛋白的加入量来进行形貌观察。得出核壳结构的形成与氨基酸的活性位点、金属离子半径及价键理论有关。将Fe3O4@C@Mn3O4多级核壳结构作为电池负极材料,电化学测试显示,在0.1 C电流速率下其初始放电容量为1261 mAhg-1,循环200次后仍有987 mAhg-1容量保留,表现出了良好的循环性能。提高的电化学性能归结于两点:首先碳材料可以缓解由体积变化产生的应力和活性物质团聚;其次碳具有良好的导电性,可以提高电极的电子导电率。(3)本章基于金属有机框架(MOF)的理念,运用离子交换的方法将Mn2+替代K3[Fe(CN)6]中的K+,合成Mn3[Fe(CN)6]2前驱体,再经过热处理煅烧制备出粒径在500-800 nm的MnFe2O4介孔纳米微球,平均介孔尺寸为18.38 nm,BET比表面积和介孔体积分别为55.1 m2/g和0.36 m3/g。大比表面积赋予了电极-电解液大的接触面积和更多的存储锂空间,而分级介孔特性可以更好地传输Li+和电解质分子,缩短电极材料的运输路径,缓解充放电过程中引起的体积变化。之后用化学浴沉积在MnFe2O4介孔微球表面包覆一层TiO2,TiO2拥有好的结构稳定性和长的循环寿命,两者复合后合成出了核壳结构MnFe2O4@TiO2介孔微球,在0.1 C电流密度下循环200次后仍有456 mAh/g可逆容量。
【关键词】：锂离子电池负极 核壳结构 表面包覆 过渡金属氧化物 介孔结构
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 引言9
• 1.2 锂离子电池的简介9-12
• 1.2.1 锂离子电池的发展史9-10
• 1.2.2 锂离子电池的组成及工作原理10-11
• 1.2.3 锂离子电池的特点11-12
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展12-14
• 1.3.1 碳类负极材料12-13
• 1.3.2 硅、锡基负极材料13-14
• 1.3.3 过渡金属氧化物负极材料14
• 1.4 复合材料作为锂离子电池负极材料14-17
• 1.4.1 过渡金属氧化物复合材料14-16
• 1.4.2 合金复合材料16-17
• 1.5 合成负极材料的方法17-20
• 1.5.1 溶剂热法17
• 1.5.2 沉淀法17-18
• 1.5.3 金属有机框架法18
• 1.5.4 微波法18-19
• 1.5.5 溶胶-凝胶法19
• 1.5.6 电化学法19-20
• 1.6 本论文的选题依据及研究内容20-22
• 1.6.1 本论文研究背景20
• 1.6.2 本论文研究内容20-22
• 第二章 实验材料与测试设备22-25
• 2.1 试验所用药品22-23
• 2.2 实验仪器或设备23
• 2.3 材料结构表征23-25
• 第三章 核壳结构Fe_3O_4@Mn_3O_4的合成及性能测试25-31
• 3.1 样品合成过程25-26
• 3.2 实验结果与讨论26-31
• 3.2.1 物相表征26-27
• 3.2.2 形貌和结构分析27-28
• 3.2.3 KMnO_4的量对形貌的影响28-29
• 3.2.4 电化学性能测试29-31
• 第四章 核壳结构Fe_3O_4@C@Mn_3O_4的合成及性能测试31-38
• 4.1 样品合成过程31-32
• 4.2 实验结果与讨论32-38
• 4.2.1 物相表征32-33
• 4.2.2 形貌和结构分析33-34
• 4.2.3 BSA的加入量对形貌的影响34-35
• 4.2.4 Fe_3O_4@BSA@Mn_3O_4核壳结构的形成机制35-36
• 4.2.5 电化学性能测试36-38
• 第五章 MnFe_2O_4@TiO_2介孔微球的合成及性能测试38-45
• 5.1 样品的制备过程38-39
• 5.2 实验结果与讨论39-45
• 5.2.1 物相表征39-40
• 5.2.2 形貌和结构分析40-42
• 5.2.3 不同PVP含量和反应时间对形貌的影响42-43
• 5.2.4 电化学性能测试43-45
• 第六章 结论45-46
• 致谢46-47
• 参考文献47-54
• 作者简介54
• 攻读硕士学位期间研究成果54

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