過渡金屬氧化物-氮摻雜碳基復(fù)合鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其性能.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對于能源需求量增多，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源逐漸減少，環(huán)境問題日益嚴(yán)重，使能源和環(huán)境成為備受關(guān)注的兩大社會(huì)問題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類生活水平的提高，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和清潔可再生能源成為各國非常重視的課題之一，這也對儲(chǔ)能裝置的各項(xiàng)指標(biāo)提出了新的要求。近年來，由于便攜式電子設(shè)備如移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)和筆記本電腦等電子與信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，以及混合電動(dòng)汽車或純電動(dòng)汽車的逐漸普及，人們對于鋰離子電池能量密度，循環(huán)性能和可靠

2、性等參數(shù)的要求越來越高。成功開發(fā)下一代鋰離子電池的關(guān)鍵無疑在于電極材料方面的突破。目前，電極材料的研究工作主要集中于兩個(gè)方面:一方面致力于設(shè)計(jì)出具有更加巧妙合理結(jié)構(gòu)的電極材料來緩解在充放電過程中的體積膨脹以確保鋰離子電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性;另一方面實(shí)現(xiàn)多種成分的復(fù)合以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池容量的最大化。在各種電極材料中，金屬氧化物-氮摻雜碳基納米復(fù)合材料，由于其特殊的納米微觀結(jié)構(gòu)和形貌，有著較大的比表面積從而有效的緩解了體積膨脹，可望更加有效

3、地提高材料的可逆容量。此外，氮摻雜碳基納米復(fù)合材料還可以很好地提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，更有益于電子的快速轉(zhuǎn)移，同時(shí)，多組分的復(fù)合彌補(bǔ)了單一成分的電極材料容量不理想的缺點(diǎn)。
　　本論文在綜合國內(nèi)外金屬氧化物/碳納米復(fù)合材料的制備和性能研究的基礎(chǔ)上，通過溶劑熱法，冷凍干燥法等成功地制備出了幾種納米結(jié)構(gòu)的新型金屬氧化物/氮摻雜碳基鋰離子電池負(fù)極材料，采用多種測試手段對合成的電極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)與物化性能表征，研究其在鋰離子電池中的應(yīng)用。具體的

4、研究結(jié)果如下:
　　1.提出一種新的策略，在通入氨氣的條件下進(jìn)行高壓水熱反應(yīng)，通過控制壓力結(jié)合隨后產(chǎn)物的熱退火處理，制備出不同含氮量的ZnO/氮摻雜還原氧化石墨烯(N-GN)復(fù)合物，由于N-GN能有效地阻止ZnO納米粒子(NPs)的聚集，從而保持了結(jié)構(gòu)的完整性，此外可有效提高電極材料的導(dǎo)電性，將其分別作為鋰離子電池負(fù)極材料研究其電化學(xué)性能時(shí)，其測試結(jié)果表明含氮量8.7％的ZnO/N-GN-3復(fù)合物循環(huán)穩(wěn)定性能最好，在0.2A g-

5、1電流密度下循環(huán)100次以后，放電比容量仍達(dá)1100mAh g-1，進(jìn)一步研究還表明其具有良好的倍率性能。
　　2.應(yīng)用一種簡單的方法，直接通過冷凍干燥和隨后的熱退火處理，成功制備了Co3O4/N-doped GN復(fù)合物，由于這種復(fù)合物提供了較好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，將其作為鋰離子電池負(fù)極材料，在0.2A g-1電流密度下循環(huán)100次以后，放電比容量仍達(dá)950mAh g-1，展現(xiàn)了較大的比容量、較好的循環(huán)性能和較高的庫倫效率，此外，亦展現(xiàn)出

6、了優(yōu)異的倍率性能。
　　3.將FeCl3·6H2O作為鐵源，結(jié)合輔助試劑，通過水熱及熱退火處理等步驟制備出Fe3O4@氮摻雜碳(C/N)復(fù)合物。將Fe3O4@C/N復(fù)合物在鹽酸溶液中進(jìn)行不同程度的刻蝕，最終得到雙殼層Fe3O4@C/N復(fù)合物。研究結(jié)果表明這種雙殼層Fe3O4@C/N復(fù)合物由于有著良好的緩沖作用，作為鋰離子電池負(fù)極材料其電化學(xué)性能優(yōu)于Fe3O4或Fe3O4@C/N復(fù)合物，在0.2A g-1電流密度下循環(huán)100次以后，