過渡金屬氧化物納米結構的構筑及其儲鋰性能研究.pdf

1、由于日益凸顯的能源危機、環(huán)境問題，核能、太陽能等產生的電能需得到高效儲存的要求，發(fā)展高效、廉價和環(huán)境友好的儲能裝置就成為科學界和工業(yè)界面對的重要的挑戰(zhàn)和機遇。二次鋰離子電池相較于傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫電池，具有高能量密度、電壓平穩(wěn)、自放電率小、持久的循環(huán)性能以及綠色環(huán)保等優(yōu)點，在我們日常所用的小型移動電子設備中發(fā)揮著重要的作用。目前，隨著鋰離子電池在電動汽車和智能電網等大功率用電器和儲能領域的發(fā)展，人們對商業(yè)化的鋰離子電池提出了更高的要求。而

2、高性能鋰離子電池的實現依賴于其中電極材料的結構設計和性能提升。過渡金屬氧化物負極材料具有高于傳統(tǒng)的碳/石墨基負極材料2-3倍的理論比容量，是實現高容量、高功率、長壽命的鋰離子電池的潛在電極材料。但是，其較差的電子電導率及循環(huán)過程中的體積效應限制了其應用。研究發(fā)現，納米技術在過渡金屬氧化物材料中的應用可以有效的緩解以上缺點。因此，發(fā)展過渡金屬氧化物納米電極材料來解決上述問題，對提高鋰離子電池的整體性能具有重要的實際意義。
　　在本論

3、文中，我們旨在利用簡單的方法構筑高性能的鋰離子電池納米電極材料，為鋰離子電池負極材料的發(fā)展提供有益的探索。本論文的主要內容如下:
　　(1)采用水熱反應，首次在β-MnO2納米棒表面成功外延生長α-FeOOH納米棒。并通過時間演化，研究了該結構的生長過程。該β-MnO2/α-FeOOH枝狀結構呈現出四次對稱性的新穎特征，經高分辨透射電鏡照片證明，主要是由于FeOOH的(010)晶面與MnO2的(100)晶面的晶格匹配。經過高溫煅燒

4、，得到結構保持的β-MnO2/α-Fe2O3枝狀納米棒。并且詳細考察了β-MnO2納米棒、α-Fe2O3多孔納米棒以及β-MnO2/α-Fe2O3枝狀納米棒的電化學性能。β-MnO2/α-Fe2O3枝狀結構具有最優(yōu)異的電化學性能，在1Ag-1的電流密度下，循環(huán)200圈后，還能保持1028mAhg-1的比容量;在4Ag-1的電流密度下，比容量還能達到881mAhg-1。β-MnO2/α-Fe2O3枝狀結構具有的較高的比表面積、豐富的多孔性

5、以及β-MnO2與α-Fe2O3之間的協(xié)同作用等對提高電極材料的性能起到至關重要的作用。
　　(2)采用枝狀β-MnO2/α-Fe2O3納米棒與葡萄糖溶液在190℃下水熱反應5小時，制備得到多級核殼α-Fe2O3@C納米管。該納米管繼承了β-MnO2/α-Fe2O3結構的尺寸、形貌和多級的表面結構。通過調節(jié)反應物β-MnO2/α-Fe2O3納米棒與葡萄糖的比例，得到具有不同碳層厚度的多級核殼α-Fe2O3@C納米管，并研究了其鋰離

6、子電池負極性能。通過鋰電測試發(fā)現，碳層最薄的樣品具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。他們在0.2和1Ag-1電流密度下循環(huán)100圈后，還能分別得到1173，1014mAhg-1的比容量。甚至在4Ag-1下循環(huán)1000圈，容量還能保持在482mAhg-1。該優(yōu)異的電化學性能主要得益于多級核殼α-Fe2O3@C納米管較薄的碳層，可以有效地促進電子、離子傳輸和抑制充放電過程中的體積效應。
　　(3)采用MnOOH納米棒為模版，利用吡咯單體的

7、聚合反應，合成了MnOOH@PPy同軸納米棒。MnOOH@PPy同軸納米棒經過高溫還原，得到了氮摻雜的碳包覆MnO同軸納米棒結構(MnO@C-N)。研究了MnO@C-N與MnO的電化學性能，發(fā)現MnO@C-N具有明顯增大的比容量、倍率性能和循環(huán)性能。Li/MnO@C-N電極在500mAg-1電流密度下的循環(huán)100圈后，比容量達到982mAhg-1，相比于Li/MnO電極的703mAhg-1有了較大的提高。Li/MnO@C-N電極在100