碳包覆過渡金屬氧化物高效鋰離子電池負極材料的設計制備及其性能研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有長壽命、理論容量高、環(huán)境友好、無記憶性和安全可靠等優(yōu)點，在現(xiàn)代電子消費產(chǎn)品和新一代電動汽車中得到廣泛應用。但是自該技術(shù)發(fā)明以來，鋰離子電池一直在電極材料的設計和電池自身的組裝上面臨諸多的挑戰(zhàn)。一方面是在鋰離子電池在充放電過程中怎樣提高其系統(tǒng)電解液的擴散、離子的轉(zhuǎn)移和電極的導電性；另外一方面是怎樣設計與合成先進的電極材料來提高電池的充放電比容量和容量保持率。最近很多材料例如金屬、碳材料、過渡金屬硫化物、過渡金屬氧化物及其

2、復合物等被應用于鋰離子電池，并且得到了廣泛的關(guān)注。在這些材料當中，過渡金屬氧化物由于具有特殊的物理和化學性質(zhì)而得到越來越多的注意，但是容易團聚、導電性差、嚴重的體積效應會導致其循環(huán)性能減弱和不可逆容量的增加。在本論文中，我們采用一種簡單便捷的方法制備了石墨化碳包覆的過渡金屬氧化物納米顆粒的復合材料，分別得到了具有三明治形和豆莢形的鋰離子負極材料。通過掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM），X-射線衍射儀（XRD），比表面積儀

3、（BET）等技術(shù)分析材料的結(jié)構(gòu)和形貌特征。通過循環(huán)伏安(CV)，恒電流充放電，交流阻抗譜（EIS），倍率性能和循環(huán)性等來測試電極材料的電化學性能。
　　為了提高TiO2材料的電化學性能，自支撐介孔豆莢形TiO2@C納米纖維陣列被合成且應用于鋰離子電池。實驗采用兩步水熱和一步CVD煅燒的方法，以鈦酸納米管陣列（H2Ti3O7）為前驅(qū)物和犧牲模板，葡萄糖分子作為綠色碳源，成功在鈦基底上合成了新穎的豆莢形TiO2@C納米纖維陣列。通過對

4、材料的分析表征，我們可以發(fā)現(xiàn)復合陣列具有很多優(yōu)點，例如多孔結(jié)構(gòu)、納米尺寸的TiO2顆粒、大比表面積和石墨化的碳外殼。正是得益于這些優(yōu)良的性質(zhì)，我們的材料表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能（在一倍率電流密度下循環(huán)100圈，比容量可以達到162mAhg-1），杰出的倍率性能（在10倍率電流下，比容量可以達到124mAhg-1）。
　　采用電沉積的方法，以α-Co(OH)2納米片為前驅(qū)物和模板，通過兩步水熱和煅燒處理得到二維的碳片包覆空心Co3O4

5、納米顆粒陣列。這種設計合成的電極材料展現(xiàn)出一些獨特的性能，包括了多孔性，大比表面積，顆粒間有間隙和外層碳很薄等。因為這些獨特的性質(zhì)，當這種材料應用于鋰離子電池是展現(xiàn)出很高的倍率性能和出眾的可逆性能。
　　采用水熱的方法第一次成功制備了一維NiCo2O4@C納米棒復合陣列，并且與未處理的NiCo2O4一維陣列進行對比。所得到的一維豆莢形NiCo2O4@C納米棒陣列直接長在三維的泡沫鎳上。對比于其他合成的NiCo2O4材料，我們合成的