金属氧化物的制备及其电化学性能的研究
锂离子电池能否在大型储能设备和动力电池领域广泛的应用，其前提是如何在大倍率充放电条件下保持良好的容量特性和循环稳定性。因此，开发高可逆比容量、高倍率性能的锂离子电池电极材料是其关键。过渡金属氧化物由于具有较高的理论容量和良好的电化学性能和相对低廉的成本等优点，有望成为下一代锂离子电池理想的负极材料。而电极材料的成分、形貌和结构对其电化学性能的影响至关重要。可通过对合成路线的优化和设计，制备出具有特殊形貌结构的过渡金属氧化物负极材料，使其具有优异的电化学性能。本论文主要研究了具有特殊形貌的介孔SnO2纳米片、层状Co3O4纳米片和SnO2/rGO、Fe3O4/rGO的制备及电化学储锂性能测试。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、循环伏安(CV)、热失重(TG)、XPS等方法对材料进行物化性质以及采用LAND电池测试系统对其储锂性能进行了表征。 1.如何设计和制备出具有独特结构的复合材料从而消除充放电过程中的体积效应，延长使用寿命，是推动锂离子电池负极材料SnO2商品化所面临的巨大挑战。本文在第三章中介绍了一种制备介孔SnO2纳米片材料的溶剂挥发分子自组装法，该方法包括溶剂缓慢挥发引发的分子自组装和热处理两个过程。表面活性剂F127被用作软模板以形成丰富的孔道结构。得到的样品具有柔性二维纳米片结构和介孔特性。基于这些形貌结构特性的协同作用，该样品用于锂离子电池负极材料表现出了优异的电化学储锂性能包括可逆容量高且稳定，倍率性能好，值得注意的是充放电循环超过1000次的超长循环寿命。此外，我们较早的进行了电极材料演化过程分析，即在不同电化学循环次数后对电池进行拆解，观察SnO2纳米片的结构变化，揭示了该介孔SnO2纳米片优秀的循环稳定性得益于其稳定的二维纳米片状结构和多孔特性。 2.关于配位化合物(CP)作为模板合成金属氧化物的方法，已经开展了许多研究，主要应用于电化学储能以及催化领域。在本文第四章中，我们首次利用Co的配位化合物作为模板前驱体，采用拓扑化学法转化成具有层状结构的Co3O4二维纳米片。该材料在二维纳米层状结构和高活性晶面暴露在外部的协同作用下，作为锂离子电池负极材料展现出了高比容量（0.5Ag-1电流密度下循环100次比容量达852 mAhg-1）、高倍率性能（1 Ag-1电流密度下循环100次比容量达597 mAhg-1)以及优越的循环稳定性（超过200次的循环寿命）。 3.本文在第五章中介绍了利用简单、温和的溶液法制备单分散二氧化锡纳米颗粒与石墨烯自组装成复合材料SnO2/rGO的方法。通过十二烷基硫酸钠SDS的辅助，SnO2纳米颗粒均匀紧密的沉积到柔性石墨烯载体表面。通过尿素控制SnO2纳米颗粒的沉积速度及GO的还原程度。该材料应用于锂离子电池负极材料，在高倍率下表现出了优异的电化学循环性能，包括0.5 Ag-1电流密度下充放电循环400次后可逆容量高达1000mAhg-1，1 Ag-1大电流密度下充放电循环400次以后可逆容量高达560mAhg-1以上。同时，在0.1Ag-1到4Ag-1的充放电电流密度范围内也表现出了优异的倍率性能，4Ag-1大倍率充放电可逆容量高达432mAhg-1。 4.本文在第六章中介绍了一步水热法制备的Fe3O4/rGO纳米复合材料的工作，此材料作为锂离子电池负极材料具有优越的电化学性能。在水热反应中GO还原成纳米片状石墨烯，并在石墨烯片层表面均匀密集的负载Fe3O4纳米颗粒。相比于纯的Fe3O4纳米粒子，引入石墨烯的Fe3O4/rGO纳米复合材料拥有更高的可逆容量和更优越的循环稳定性和倍率性能，在200 mAg-1电流密度下，循环次数100次以上比容量高达884 mAhg-1。
锂离子电池;负极材料;金属氧化物;制备工艺;电化学性能
青岛科技大学
硕士
无机化学
郭金学
2015
中文
TM911.3;TM24:TM205.1
102
2015-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）