纳微结构过渡金属基（Co、Fe、Mo）氧化物可控制备及储锂性能研究

发布时间：2017-09-20 02:01

  本文关键词：纳微结构过渡金属基（Co、Fe、Mo）氧化物可控制备及储锂性能研究

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【摘要】：随着新能源汽车、太阳能、风能及智能电网等能量储存与转换领域的快速发展,动力锂离子电池受到了空前的关注,开发新型高能负极材料成为锂离子电池领域的重要研究方向之一。Co, Fe, Mo过渡金属基氧化物具有较高的理论容量,是目前商业石墨电极的2-3倍。并且该类材料存在可变价态和多样的物相结构,易于得到形貌独特、成分各异的纳微结构；同时,来源广泛,成本较低,是一类非常有发展前途的新一代高比能锂离子电池负极材料。但是存在导电性差、充放电过程中体积膨胀等问题,导致循环性能不稳定。为进一步改善其电化学性能,本研究拟探索独特的自组装模板、NMOFs作为驱动源及醇热无模板诱导的绿色合成路径,结合中空结构纳米化和混合基质的改进策略,可控制备微观有序中空纳米结构多元Co, Fe, Mo金属基氧化物高能储锂材料；探索材料的形成机制与纳微结构控制原理；系统研究材料的合成条件、组成、形貌及微观结构与电化学性能的关系,为该类材料的研究开发提供实验和理论基础。 利用选择性协调侵蚀模板法,制备出一种具有中空纳米立方结构的NiCo2O4双金属氧化物作为锂离子负极材料。首先合成了中空十字型(NiCox)O(OH)纳米立方,再通过后续煅烧得到了NiCo2O4纳米立方,作为电极材料可逆容量最高达1160mA·hg-1(200mA g-1的恒定电流密度下),200次循环后容量保持率为91.1%。这种独特的中空结构可以缩短锂离子传输路径,有益于增加倍率性能,并提供充分的体积空间,有效缓冲机械应力。另外,活性材料的多元特性使体积变化阶梯式发生,不易导致电极粉化。使该中空十字型NiCo2O4表现出杰出的电化学性能。 通过一种便捷的合成策略,以金属有机框架驱动合成中空多孔CoFe204纳米立方电极材料。其特殊的中空纳米结构可以缩短电子和离子的传输路径,增大电极比表面积,从而在脱/嵌锂循环过程中有效适应产生的体积变化,同时多元混合基质特点使电化学反应中的体积膨胀分多步进行。这样使合成的CoFe2O4材料作为锂离子电池负极材料表现出优异的性能：在50mAg’电流密度下,可逆容量达到815mA·h g-1;当电流密度恢复到1C时,经过200次电化学循环,比容量仍达1043mA·h g-1。 采用醇热技术可控制备了中空核壳结构α-MoO3-SnO2二次锂离子电池复合负极材料。电化学性能测试表明,200mA·hg-1恒定电流密度下200次循环后,可逆容量高达865mA·hg-1,容量保持率为93.1%。构建的多元金属氧化物既具有电化学活性成分,又含有骨架作用部分,有效地提高了锂离子电池的循环性和倍率性能。尤其,独特中空结构缩短了电子和锂离子传输路径,有利于电极倍率性能提高并可有效缓冲充放电过程中活性成分的体积变化。因此,α-MoO3-SnO2复合电极表现出良好的电化学性能。该合成策略简单易行,成本低廉,适合产业化生产,也为合成其他功能性纳米材料提供了一定的参考。
【关键词】：Co Fe Mo金属基氧化物 纳微结构 锂离子电池 负极材料
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O611.4;TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-8
• 目录8-11
• 第一章 绪论11-33
• 1.1 锂离子电池负极材料的研究意义11-12
• 1.2 商业锂离子电池的组成12-13
• 1.3 锂离子电池的未来发展方向13-14
• 1.4 新一代锂离子电池正极材料14-15
• 1.5 新一代锂离子电池负极材料15
• 1.6 纳米结构负极材料的研究背景15-18
• 1.6.1 纳米棒、纳米线和纳米管结构的锂离子电池负极材料16-17
• 1.6.2 中空球形和核壳纳米结构的锂离子电池负极材料17-18
• 1.7 纳米结构负极材料的类型18-28
• 1.7.1 碳纳米负极材料18-20
• 1.7.1.1 一维碳纳米结构材料18-19
• 1.7.1.2 二维碳纳米结构材料19-20
• 1.7.1.3 三维多孔碳纳米结构材料20
• 1.7.2 纳米结构合金负极材料20-22
• 1.7.3 金属氧化物负极材料22-28
• 1.7.3.1 Li合金化反应机理22-23
• 1.7.3.2 插入反应机理23-25
• 1.7.3.3 转化反应机理25-28
• 1.8 本论文研究的目的与内容28-33
• 第二章 试验部分33-36
• 2.1 主要原材料及仪器设备33-34
• 2.1.1 主要化学试剂及原材料33
• 2.1.2 主要试验设备仪器33-34
• 2.2 电池负极的制备及电池的组装34-35
• 2.3 电化学性能测试35-36
• 第三章 以Cu_2O为模板构筑中空十字型NiCo_2O_4纳米立方锂离子电池负极材料36-57
• 3.1 引言36-38
• 3.2 实验38-40
• 3.2.1 实验原理38-39
• 3.2.2 实验方法39-40
• 3.2.2.1 实心十字型Cu_2O纳米立方结构模板的制备39
• 3.2.2.2 中空十字型CoNi_2O_4纳米立方结构材料的制备39-40
• 3.2.3 样品的表征40
• 3.3 材料的形貌和成分分析40-44
• 3.3.1 Cu_2O模板的形貌及成分分析40-42
• 3.3.2 Ni-Co-O产物的形貌,结构和成分分析42-44
• 3.4 材料的物相分析44-46
• 3.5 不同反应条件对产物形貌的影响46-50
• 3.5.1 溶剂比对产物形貌的影响46-47
• 3.5.2 煅烧的气体环境对产物的影响47-48
• 3.5.3 反应时间对产物形貌的影响48-50
• 3.6 材料的储锂性能分析50-55
• 3.7 小结55-57
• 第四章 以MOFs为驱动源构筑中空CoFe_2O_4纳米立方锂离子电池负极材料57-78
• 4.1 引言57-59
• 4.2 实验59-61
• 4.2.1 实验原理59-60
• 4.2.2 实验步骤60-61
• 4.2.2.1 NMOFs：Co[Fe(CN)_6]_(0.667)纳米立方的制备60
• 4.2.2.2 中空多孔CoFe_2O_4纳米立方的制备60-61
• 4.2.3 样品的表征61
• 4.3 材料的物相分析61-63
• 4.4 材料的形貌,结构和成分分析63-65
• 4.5 不同反应条件对产物形貌的影响65-71
• 4.5.1 溶剂成分对产物形貌的影响66-67
• 4.5.2 反应静置时间对产物的影响67-68
• 4.5.3 煅烧温度对产物形貌的影响68-71
• 4.6 材料的储锂性能分析71-76
• 4.7 小结76-78
• 第五章 醇热法制备核壳结构α-MoO_3-SnO_2复合氧化物锂离子电池负极材料78-94
• 5.1 引言78-79
• 5.2 实验79-81
• 5.2.1 实验原理79-80
• 5.2.2 实验方法80-81
• 5.2.3 样品的表征81
• 5.3 材料的物相分析81-82
• 5.4 材料的微观形貌、成分和结构分析82-84
• 5.5 分级核壳结构的合成条件探索84-89
• 5.5.1 有机溶剂比对产物形貌的影响84-86
• 5.5.2 煅烧温度对产物形貌的影响86-87
• 5.5.3 反应时间对产物形貌的影响87-89
• 5.6 材料的储锂性能分析89-93
• 5.7 小结93-94
• 结论94-96
• 参考文献96-113
• 发表论文113-114
• 致谢114

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：885219