納米結(jié)構(gòu)鋅基復(fù)合金屬氧化物的可控構(gòu)筑與儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、隨著電子科技的飛速發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦、電子閱讀器等便攜設(shè)備隨著功能的豐富耗電量逐漸增加，其對(duì)于鋰離子電池在比容量，使用壽命和充電速度方面的要求越來越嚴(yán)苛。隨著傳統(tǒng)化石燃料的日益衰竭，對(duì)于新型能源如風(fēng)能，太陽能的儲(chǔ)存顯得尤為重要，鋰離子電池被視為理想候選者之一。而目前傳統(tǒng)的材料鈷酸鋰和石墨已不能滿足現(xiàn)在的需求。因而開發(fā)高容量、高倍率、長(zhǎng)循環(huán)壽命，廉價(jià)環(huán)保的新型電極材料迫在眉睫。
　　本文以鋅基金屬氧化物為研究對(duì)象，采用

2、納米化和碳材料雜化等手段合成了一系列具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　采用醋酸鋅和氧化鍺為反應(yīng)物，在水和叔丁胺的混合溶劑中進(jìn)行水熱反應(yīng)合成鍺酸鋅，通過調(diào)控反應(yīng)物濃度和溶劑中水和叔丁胺的比例，合成了具有海膽狀形貌的鍺酸鋅納米材料，構(gòu)成分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米棒直徑約為20nm，長(zhǎng)度約為500nm，這種一維結(jié)構(gòu)有利于電荷的傳輸，提高傳輸效率。且納米棒之間的空隙可在一定程度上緩解儲(chǔ)鋰過程中的體積膨

3、脹，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電化學(xué)表征結(jié)果表明其具有較高的比容量和較好的倍率性能。與此同時(shí)，還對(duì)材料的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果對(duì)于合成類似結(jié)構(gòu)的氧化物具有一定的參考價(jià)值。
　　采用微波輔助水熱法，利用鍺酸鋅乙二胺雜化物納米帶作為前驅(qū)體，將其均勻分散在氧化石墨烯（GO）懸浮液中，通過微波加熱手段在短時(shí)間內(nèi)（15分鐘）合成鍺酸鋅/氮摻雜石墨烯復(fù)合物。在反應(yīng)過程中，微波引發(fā)的分子間高頻率的振動(dòng)可以極大地加速化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，使得鍺酸鋅乙二胺雜

4、化物中的乙二胺分子迅速脫離出本體，與氧化石墨烯進(jìn)行反應(yīng)，在將其還原為石墨烯的同時(shí)進(jìn)行氮原子摻雜。在最終產(chǎn)物中，鍺酸鋅納米棒被氮摻雜石墨烯緊緊包裹，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，相比在同樣反應(yīng)條件下合成的無石墨烯包覆的鍺酸鋅納米棒，其性能得到了顯著的提升。Zn2GeO4/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料在100mAg1的電流密度下進(jìn)行放充電循環(huán)100次仍可保持1044mAhg1的可逆比容量。即使在電流密度高達(dá)3.2Ag1的條件下，其比容量也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)石墨材料，

5、達(dá)到531mAhg1。
　　開發(fā)了一種廉價(jià)環(huán)保的方法，在室溫下利用離子交換反應(yīng)成功制備了具有三明治結(jié)構(gòu)的鍺酸鋅/氧化石墨烯復(fù)合材料。合成的復(fù)合材料中，鍺酸鋅納米棒均勻地嵌入在氧化石墨烯層間，其在儲(chǔ)鋰過程中產(chǎn)生的體積膨脹可以得到很好的緩沖。得益于結(jié)構(gòu)的保持，復(fù)合物在首次放電過程中產(chǎn)生的Li2O可以在隨后的充電過程中部分可逆轉(zhuǎn)化為鋰離子和金屬氧化物，通過計(jì)算，Li2O的可逆程度可達(dá)64％，比容量得到極大提升。得到的復(fù)合材料無論在容量、

6、循環(huán)壽命還是倍率性能方面都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。此外，鍺酸鋅納米棒的嵌入避免了氧化石墨烯層間的堆疊，提高了氧化石墨烯的利用率，有效降低了復(fù)合物中的碳含量，從而提升了材料的體積能量密度，為將來大規(guī)模應(yīng)用提供可能。
　　利用空心八面體結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)框架材料作為前驅(qū)體，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行熱處理得到了介孔結(jié)構(gòu)的氧化鋅/鐵酸鋅/碳的空心八面體。歸功于金屬有機(jī)框架的特殊結(jié)構(gòu)，其在熱處理過程中，有機(jī)配體碳化后可均勻的包覆在由金屬元素形成的氧化物納米顆

7、粒表面。金屬氧化物顆粒由于受到碳層的限制，顆粒尺寸僅為5nm左右，形成的八面體結(jié)構(gòu)壁厚僅為10nm左右，孔徑大小為7.5nm。將其作為鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出極為優(yōu)異的性能，在500mAg?1的電流密度下，首次循環(huán)過程中可逆比容量高達(dá)1047mAhg1，庫侖效率達(dá)到75.6％，較其他類似氧化物有所提升，且100次循環(huán)之后比容量增至1390mAhg?1，即使在電流密度增加至10Ag1的情況下，可逆比容量仍高達(dá)762mAhg1。如此出色的性