新型介孔复合纳米结构储能材料及其性能研究

发布时间：2018-03-06 15:06

本文选题：介孔　切入点：碳复合物　出处：《福州大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：介孔材料因其具有高的比表面积和大的孔体积,不仅可以在材料表面与原子、离子、分子相互作用,而且可以贯穿材料的内部。因此,纳米材料中的介孔结构可有效地提高材料的物理化学性能。实际上,介孔材料已广泛应用于催化、污水处理、吸附、化学检测、气体存储、生物医疗器件、能源材料等领域。目前,设计和构筑纳米结构的介孔材料已成为新兴的科学技术,并在现代科技体系中具有越来越重要的作用。本学位论文系统地设计合成了一系列新型介孔结构纳米复合物电极材料,并作为电极材料应用于锂离子电池中,以考察其电化学性能,并探索材料组成、结构、表面状态、孔特性等与电化学储能之间的关系,为研制新型高性能储能材料提供理论基础。主要的研究结果有如下几点：(1)采用简单的模板法,在空气气氛中煅烧,首次成功地合成了有序介孔结构的锐钛矿二氧化钛-碳(TiO2-C)复合物。通过XRD、N2物理吸脱附、SEM和TEM表征,确定了所制备产物具有高比表面和纯相的有序介孔TiO2-C纳米复合物。进一步,将其作为负极材料组装锂离子电池,以考察电化学性能。例如,在倍率为1C下进行充放电循环900次后,可逆比容量稳定在166 mAhg-1,接近理论容量(170 mAhg-1);即使在大倍率40 C下循环,容量仍然保持稳定。研究结果表明,有序介孔TiO2-C纳米复合物具有优异的循环稳定性和高倍率充放电特性。(2)采用简单的碳热还原法,成功地合成了二氧化钼-介孔碳复合物(MoO2-OMC)。TEM测试表明,在该复合物中,粒子大小为4-8 nm的MoO2纳米晶在介孔碳中形成较均匀分布。进一步,以复合物为电极材料组装锂离子电池,并研究其电化学储能性能,发现其具有优良的电化学性能。例如,在电流密度为50 mA g-1下充放电循环50次后,可逆比容量稳定在689 mAhg-1。即使在大电流2Ag-1下循环,容量仍然稳定在401 mAh g-1。(3)利用简单的低温碳热还原法制备出复合材料V2O3-OMC和ZnV2O4-OMC,并作为锂离子电池的负极材料,研究它们的电化学性能。在制备前者中,我们采用新型的三维双连续结构的介孔碳为碳基底,发现其在100 mA g-1电流密度下循环180次,可逆比容量高达536 mAhg-1;在2Ag-1电流密度下循环,比容量仍能保持309 mAhg-1,显示出良好的电化学性能。而后者是我们首次制备的三元过渡金属氧化物与介孔碳的复合物。作为电极材料,ZnV2O4-OMC展示出良好的电化学性能。在0.1 A g-1电流密度下循环200次,可逆比容量高达575 mAhg-1,明显优于单纯的介孔碳和固体ZnV2O4颗粒。这个结果说明,将钒氧化物负载于介孔碳基底,可有效地提高电化学性能。(4)以介孔碳为纳米反应器,融合简单的模板法和溶胶凝胶法,成功地制备了高结晶度的磷酸钒锂-碳纳米复合物(Li3V2(PO4)3-C)。在复合物中,在介孔碳基底上复合有大量Li3V2(PO4)3纳米晶,纳米品表面包覆有一层厚度为2-3 nm碳薄层。研究发现,这种复合物在1C倍率下循环500次后,仍保持114 mAhg1的放电比容量,具有优良的循环稳定性。进一步,将其进行大倍率充放电性能测试,结果表明在20 C倍率下,可稳定循环3000次以上,比容量仍然高达95 mAhg-1,容量保持率达86%；在0.5到40 C下都可稳定循环,40 C下循环比容量可达106 mAhg-1.因此,Li3V2(PO4)3-C复合物作为正极材料具有优异的大电流充放电性能和循环稳定性。(5)在还原气氛下,制备了二氧化锗-锗-介孔碳纳米复合物(GeO2-Ge-OMC)。表征结果表明,GeO2-Ge纳米粒子均匀地分散于介孔碳基底。进一步,以这种材料为电极,研究其电化学特性。研究发现,在电流密度为100 mA g-1下充放电循环100次后,可逆比容量稳定在1018 mAh g-1。即使在大电流1 A g-1下循环,500次后的比容量仍然高达492 mAh g-1,说明该复合材料具有优异的大电流循环稳定性。
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【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.4;TM912

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