含锰金属氧化物介孔负极材料的制备和锂电性能研究

发布时间：2017-08-15 03:08

  本文关键词：含锰金属氧化物介孔负极材料的制备和锂电性能研究

  更多相关文章： 钼酸锰 锰酸锌 尖晶石 介孔结构 纳米材料 锂离子电池

【摘要】：锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、循环周期长、自放电性低及便携性好等优点,可以作为能源高效储存与转换的理想载体。随着电动汽车等高能耗设备的发展,目前商业化锂离子电池的容量已经不能充分满足实际应用的需求。石墨作为商业化锂离子电池的负极材料,其理论的电化学容量只有300-350 mAhg-1。因此,开发和设计高比容量、安全稳定的负极材料将是未来锂离子电池发展的必然趋势。三元过渡金属氧化物由于其出色的理论比容量、低廉的成本和丰富的储量而引起了广泛的研究兴趣,被视为新一代锂离子电池的理想负极材料。然而,在充放电过程中,金属氧化物由于体积变化大、电导率低、循环性能差等不足,限制了其在锂离子电池负极材料方面的发展与应用。纳米多孔材料具有独特的属性,有利于改善金属氧化物的充放电特性,不仅可以充分开发材料的理论容量,而且为解决上述问题提供了可行的途径。本文通过探索简单可控的实验方法,合成了介孔结构的三元金属氧化物纳米材料,实现了对材料结构的控制,研究了孔结构、晶粒尺寸、比表面与组分掺杂等对电池的比容量和循环性能的影响,并探讨了相关的理论机制。主要研究结果如下：1.采用简易的水热方法合成了MoO3、MnMoO4·0.9H2O及MnMoO4纳米棒/纳米立方体结构。实验表明,反应温度和添加剂对样品的维度、尺寸和生长机制有着重要的影响。退火前为均匀的MnMoO4·nH2O(JCPDS No.50-1286)纳米棒和纳米立方体；退火后,转变为表面粗糙的单斜相MnMoO4(JCPDS No.50-1287)介孔结构,但是形貌基本保持不变。电化学性能分析结果显示,与纯M003电极相比,三元MnMoO4电极表现出较高的比容量和优异的倍率性能。尤其是MnMoO4·0.9H2O纳米立方体电极,在100 mAg-1的电流密度下循环60次后,容量保持在497 mAhg-1,库伦效率高达99.4%；在不同的电流密度下循环60次后回到初始的50 mAg-1时,保持的可逆容量有770 mAh g-1,大约是纯Mo03电极的3倍。三元MnMoO4电化学性能的改善主要归因于材料良好的导电性,提高了离子和电荷的转移速率；大的比表面积和孔体积提供较多的Li+储存活性点,缓冲循环过程中引起的体积变化,从而提高了材料的可逆比容量和循环性能。2.通过温和的水热共沉淀过程和后退火方法,调节反应过程中乙二醇和水的溶剂比例,实现了对样品形貌的控制和调节,分别合成了介孔ZnMn204尖晶石纳米花、纳米球和纳米片结构。退火前的ZnCO3-MnCO3复合材料作为前驱体；退火后得到了四方相ZnMn2O4尖晶石结构(I4I/amd, JCPDS No.24-1133); BET结果显示,ZnMn2O4是大比表面积的介孔结构,有利于增加电极/电解液的接触面积。电化学测试结果表明,ZnMn2O4电极具有较高的比容量和优异的倍率性能。ZnMn2O4纳米花结构在100 mA g-1的电流密度下循环50次后,放电容量1724mAhg-1,容量保持率为初次放电的81.6%；且在不同的电流密度下循环80次后回到初始的200 mA g-1时,保持的可逆容量为1007 mAh g-1这主要是因为ZnMn2O4尖晶石结构优异的特性、纳米材料丰富的表界面效应和大比表面的多级自组装结构,不仅提高了材料的储锂容量,缩短了离子的扩散路径,更有利于保持材料在循环过程中的完整性。3.采用硬模板方法合成了ZnMmO4纳米晶介孔材料。分别采用介孔SiO2为模板的两步水热法,以及硅源和锌、锰源同时加入的一步水浴法,得到了ZnMn2O4纳米晶介孔结构。两步法和一步法得到的都是四方相ZnMn2O4纳米晶结构,粒径平均尺寸分别为9.8和18.4 nm；颗粒之间相互堆积、连接产生介孔结构,孔径尺寸分别为7.46和8.96nm。循环伏安和恒流充放电测试结果表明,两步法合成的ZnMn2O4纳米晶电极具有较高的比容量和循环稳定性,在200 mA g-1的电流密度下循环100次后,放充电容量分别为552和549 mAh g-1,库伦效率达99.4%。ZnMn2O4良好的循环稳定性归因于纳米颗粒之间丰富的介孔孔道,为嵌锂／脱锂过程中引起的体积变化提供了足够的缓冲空间,避免了电极材料的粉化。
【关键词】：钼酸锰 锰酸锌 尖晶石 介孔结构 纳米材料 锂离子电池
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第一章 绪论14-35
• 1.1 前言14
• 1.2 锂离子电池的概况14-18
• 1.2.1 锂离子电池的发展14-15
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理15-17
• 1.2.3 纳米电极材料17-18
• 1.3 锂离子电池负极材料18-34
• 1.3.1 纳米碳基材料19-21
• 1.3.2 纳米合金材料21-24
• 1.3.3 二元过渡金属氧化物24-29
• 1.3.4 三元过渡金属氧化物29-34
• 1.4 本文主要研究内容34-35
• 第二章 实验方法35-39
• 2.1 材料制备35-36
• 2.2 材料表征36-37
• 2.2.1 X射线衍射分析(XRD)36
• 2.2.2 扫描电子显微分析(SEM)36
• 2.2.3 透射电子显微分析(TEM)36-37
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析(XPS)37
• 2.2.5 N_2吸脱附分析(BET)37
• 2.2.6 热重分析(TGA)37
• 2.3 电化学性能测试37-39
• 2.3.1 电极的制备与电池组装37-38
• 2.3.2 循环伏安测试(CV)38
• 2.3.3 恒流充放电测试38
• 2.3.4 电化学阻抗谱测试(EIS)38-39
• 第三章 MnMoO_4多维纳米结构的合成及储锂性能的探究39-54
• 3.1 前言39-40
• 3.2 样品的制备40-41
• 3.3 结构与物相分析41-47
• 3.4 电化学性能测试47-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第四章 ZnMn_2O_4纳米多孔结构的调控及锂电性能探究54-70
• 4.1 前言54-55
• 4.2 样品的制备55
• 4.3 结构与物相分析55-64
• 4.4 电化学性能测试64-69
• 4.5 本章小结69-70
• 第五章 ZnMn_2O_4纳米晶的合成及电化学性能探究70-82
• 5.1 前言70-71
• 5.2 样品的制备71-72
• 5.3 结构与物相分析72-77
• 5.4 电化学性能测试77-81
• 5.5 本章小结81-82
• 第六章 结论82-84
• 参考文献84-94
• 致谢94-95
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文95
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目95
• 攻读硕士学位期间获奖情况95-96
• 附件96

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 侯长军;任桂香;霍丹群;段玉娟;;金属氧化物Langmuir-Blodgett膜的研究现状[J];材料导报;2008年03期

2 锅田庸一;李帆;牛铭安;;在高温高湿下使用的金属氧化物电容式湿度传感器[J];仪器仪表与分析监测;1985年01期

3 房国丽;;含铋多元金属氧化物的研究现状[J];宁夏工程技术;2011年04期

4 ;国外信息[J];化学建材;1992年05期

5 张辉,梁广川,蒋巍,梁金生;空气电极金属氧化物催化材料的研究[J];河北工业大学学报;2005年01期

6 颜东亮;;金属氧化物导电粉体的研究进展[J];中国陶瓷;2008年08期

7 傅建杭;;用近红外光谱研究金属氧化物的表面羟基对其催化活性的影响[J];洛阳工学院学报;1993年03期

8 李振宇，李荣;利用金属氧化物的石材着色法[J];中国建材;1995年07期

9 李群杰,张庆林,朱汉林;金属氧化物对镉电极的影响[J];电池;1998年03期

10 ;寻钥匙[J];表面工程资讯;2001年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 马臻;任瑜;卢岩斌;Peter G.Bruce;;介孔过渡金属氧化物催化脱除环境污染物[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年

2 櫖恅i，

本文编号：675963