幾種金屬和氧化物基電極材料的納米結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和電化學(xué)性能研究.pdf

1、為了應(yīng)對(duì)日益緊迫的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，人們對(duì)儲(chǔ)能二次電池的需求日益增加，同時(shí)也對(duì)電池的性能提出了更高的要求。要開發(fā)出高比容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高穩(wěn)定性的電極材料，依賴于材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑和調(diào)控。本論文旨在以電極材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑和電化學(xué)性能分析為導(dǎo)向，選擇合適的方法對(duì)電極材料進(jìn)行可控合成和結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，并詳細(xì)研究所得產(chǎn)物在鋰離子電池、水系離子電池等儲(chǔ)能領(lǐng)域的性能。分別選取了Fe3O4、Sn和MnO2電極材料作為轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制、合金機(jī)制和插入機(jī)制的代表

2、材料，通過(guò)納米化、碳復(fù)合等方法設(shè)計(jì)合成出不同的納米結(jié)構(gòu)，測(cè)試材料的電化學(xué)性能并研究其構(gòu)效關(guān)系。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1、設(shè)計(jì)構(gòu)筑了包覆氮摻雜碳的Fe3O4納米片結(jié)構(gòu)(Fe3O4F@NC)。吡咯作為氮摻雜碳源，被由靜電作用吸附在Fe3O4納米片表面的表面活性劑分子十二烷基硫酸鈉固定在Fe3O4納米片表面，被過(guò)硫酸銨氧化成聚吡咯，熱處理后得到了Fe3O4FNC。對(duì)比氮摻雜碳包覆的Fe3O4納米顆粒，F(xiàn)e3O4納米片復(fù)合材料展現(xiàn)出

3、更為優(yōu)異的電化學(xué)性能?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)控吡咯的初始加入量，控制Fe3O4F@NC復(fù)合材料中的碳含量。作為鋰離子電池負(fù)極材料，碳含量44％時(shí)材料的電化學(xué)性能最好。在0.2C的倍率下循環(huán)200圈后容量仍高于1000mAhg-1，在1C的倍率下循環(huán)500圈后容量仍保持662mAhg-1，且5C的大倍率下循環(huán)200圈后容量保持600mAhg-1，展示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。Fe3O4F@NC優(yōu)異的電化學(xué)性能得益于Fe3O4納米片的二維結(jié)構(gòu)和氮摻

4、雜碳材料的共同作用。
　　2、設(shè)計(jì)構(gòu)筑了均勻分散有Sn納米顆粒的氮摻雜碳空心球結(jié)構(gòu)（Sn@NC）。吡咯作為碳源，溶劑熱合成的SnO2納米球作為錫源和自犧牲模板，先得到聚吡咯包覆SnO2的核殼結(jié)構(gòu)，700℃的熱處理下，聚吡咯分解成氮摻雜碳和SnO2還原成金屬Sn同步進(jìn)行，且由于Sn低熔點(diǎn)的特征，使其在熔融狀態(tài)下分散在空心碳納米球中，最后得到的Sn@NC空心納米球的外徑約80-100nm，內(nèi)徑約為50nm，其中Sn納米顆粒尺寸為5-3

5、0nm。作為鋰離子電池負(fù)極材料，Sn@NC表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，在0.2C的倍率下循環(huán)200圈后容量為1070mAhg-1，在1C的倍率下循環(huán)400圈后容量仍保持929mAhg-1，且5C的大倍率下循環(huán)500圈后容量保持500mAhg-1。Sn@NC優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能主要得益于氮摻雜碳的空心納米球結(jié)構(gòu)及其中分布均勻的Sn納米顆粒的共同作用。同時(shí)我們分析研究了電極材料在循環(huán)過(guò)程中容量上升的原因，發(fā)現(xiàn)循環(huán)過(guò)程中凝膠狀聚合物膜的可逆生成和分解以

6、及循環(huán)后期增大的贗電容效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致材料在循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)容量上升的現(xiàn)象。
　　3、構(gòu)筑了層狀δ-MnO2納米片褶皺結(jié)構(gòu)，其中納米片厚度在2nm左右，平均橫向尺寸約為200nm。利用氧化石墨烯作為還原劑和自犧牲模板，在水熱條件下一步法合成出具有褶皺結(jié)構(gòu)的層狀δ-MnO2納米片。作為水系鋅離子電池的正極，δ-MnO2納米片與δ-MnO2微米球相比，無(wú)論是活化時(shí)間、比容量還是循環(huán)穩(wěn)定性，δ-MnO2納米片都要優(yōu)于微米球。δ-MnO2納米片