四价金属氧化物纳米晶及其复合材料制备与电化学性能研究
目前，锂离子电池在人们的学习、生活和工作中起到了不可忽视的作用，从而对其提出了更高的性能要求。开发比能量高和储存寿命长的电极材料是当前科学研究的重点之一。过渡金属氧化物以其较高的理论电容、安全无毒、环境友好和价格实惠备受研究工作者的青睐。然而过渡金属氧化物导电性不理想，充放电过程中体积变化等因素使其实际应用的性能不尽人意。本文以四价金属氧化物为研究对象，从掺杂和复合两个角度去改善金属氧化物锂离子负极材料的电化学性能。采用水热法制备了掺杂SnO2纳米晶和TiO2-Graphene复合材料，通过XRD、EDX、SEM、TEM、Raman、FT-IR、UV-vis等手段对样品进行了表征，借助真空手套箱组装锂离子电池，并运用电化学工作站和锂离子电池测试仪对样品的电化学性能进行分析。主要结果如下： (1)以SnCl4为锡源，Gd3+离子为掺杂离子，油酸为表面活性剂，通过水热法制备出不同掺杂浓度的SnO2纳米晶。XRD、TEM、Raman、UV-Vis等微结构与谱学测试表明所制备样品为四方晶系金红石型 SnO2，Gd3+离子以替位式掺杂方式掺入SnO2纳米晶中。随着掺杂浓度的增加，SnO2由类球状纳米颗粒演变为纳米棒，并且平均尺寸由6.2nm逐渐减小为4.2nm。从表面自由能原理出发，解释了 SnO2纳米棒的生长机理。电化学性能表征发现 SnO2纳米棒的首次充放电容量、循环稳定性以及库伦效率都要高于纳米颗粒，并且经过50次循环后 SnO2纳米棒的比容量仍保持有370mAh/g。研究结果表明，由于掺杂的作用，调节了材料的形貌和尺寸，改善了SnO2纳米晶的电化学性能。 (2)以非晶球状TiO2和氧化石墨烯为反应前驱体，一步水热反应制备了自组织三维TiO2-Graphene复合材料。分析了复合材料的结构、形貌和成分含量，表明锐钛矿型TiO2微米球单分散地嵌入三维石墨烯，复合材料具有155 m2/g的比表面积和3.8 nm的孔径。复合材料的电化学性能测试表明复合材料在0.5 C、1 C、5 C、10 C和20 C下分别具有203、183、153、140和123mAh/g的可逆容量，循环性能稳定，倍率性良好。研究结果表明，三维TiO2-Graphene复合材料具有单分散的介孔TiO2微米球，良好的导电性，稳定的结构和形貌，有利于在充放电过程中抑制TiO2微米球的体积变化和团聚，从而改善了TiO2材料的电化学性能。
四价金属氧化物纳米晶;复合材料;电化学性能;制备工艺;锂离子电池
湘潭大学
硕士
物理电子学
杨利文
2013
中文
TM912.9;TM242
55
2013-10-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）