氧化物-碳復合鋰離子電池負極材料的研究.pdf

1、鋰離子電池(LIBs)由于電壓高、容量大、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢而廣泛用于手機、筆記本電腦等便攜式通訊設備。然而目前商用的鋰離子電池負極材料以石墨材料為主，石墨的理論容量只有372mAhg-1，無法滿足新一代高容量鋰離子電池需要。相比于石墨材料，新型的碳材料（如碳納米管、介孔碳）和過渡族金屬氧化物（如氧化錳、氧化鐵、氧化鎳、氧化銅等）具有更高的比容量。然而金屬氧化物在充放電過程中不可避免的伴隨著體積的巨大變化，引起電極材料的粉化，從而導致容量

2、的快速衰減。介孔碳材料由于較高的比表面導致其活化點較多，使得其不可逆容量較高。為了提高其循環(huán)穩(wěn)定性，目前行之有效的方法之一是將金屬氧化物與碳材料進行復合，發(fā)揮氧化物容量高和碳材料導電性好的優(yōu)勢，避免單一材料結構上的缺陷。本文針對過渡金屬氧化物和介孔碳電極材料，通過氧化物與碳材料的復合，減少金屬氧化物的體積變化引起的容量衰減，降低介孔碳材料的不可逆容量。主要研究內(nèi)容如下:
　　 1.以乙酸錳為錳源，PVP為碳源，乙二醇為形核中心通

3、過一步水熱法成功合成出均勻碳層包覆的Mn3O4納米棒復合材料:Mn3O4@C。合成的Mn3O4為四方相的黑錳礦(JCPDSNo.24-0734)，納米棒的厚度為15-20nm，寬度為200-300nm左右，碳層的厚度為5nm，碳在復合材料中的質(zhì)量分數(shù)為1.2％。通過循環(huán)伏安和恒流充放電測試了其電化學性能，結果發(fā)現(xiàn)其在40mAg-1的電流密度下經(jīng)過50次循環(huán)后的可逆容量仍保持為473mAhg-1，大約是純Mn3O4電極的3.05倍。由于其

4、成本低、無污染和性能良好，有望作為鋰離子電池負極材料獲得很好的應用。
　　 2.通過兩步法合成了氧化鐵、氧化鎳修飾的介孔碳復合材料(FeOx/CMK-3、NiO/CMK-3)。以介孔碳為基體，氯化鐵和乙酸鎳為氧化物前驅(qū)體，以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑，分別通過水熱法和沉淀法制備FeOx/CMK-3、NiO/CMK-3復合材料。合成的FeOx/CMK-3樣品中的氧化鐵由立方結構Fe3O4和菱形結構赤鐵礦Fe2O3

5、組成，顆粒大小在50-100nm之間;制備的NiO/CMK-3材料的氧化鎳為立方相氧化鎳，顆粒大小在50-80nm之間。倍率充放電測試分析表明上述復合材料的首次庫倫效率、可逆容量和循環(huán)穩(wěn)定性等較介孔碳有明顯改善，即使在1600mAg-1的電流密度下，其容量分別為304mAhg-1和230mAhg-1，相對于介孔碳的58mAhg-1有顯著提高。
　　 3.通過乙二醇還原法合成了銅、氧化亞銅與介孔碳的復合材料。以介孔碳為基體，硝酸銅

6、為銅源，在乙二醇的環(huán)境中制備CuxO/C復合材料。其中銅以兩種物相存在:單質(zhì)銅和氧化亞銅。其顆粒大小從幾十納米到幾百納米。控制銅源前驅(qū)體的含量，分別得到了銅氧化物質(zhì)量分數(shù)為38％、44％、62％的CuxO/C復合材料。以電化學交流阻抗和恒流及倍率充放電測試了其電化學性能。研究發(fā)現(xiàn)，0.5CuxO/C樣品的綜合性能較好，在372mAg-1的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)后容量依然保持在346mAhg-1。0.5CuxO/C樣品在倍率充放電測試