過渡金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)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(chǎn)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?nèi)粘Ｋ玫男⌒鸵苿与娮釉O(shè)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(wǎng)等大功率用電器和儲能領(lǐng)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(xiàn)依賴于其中電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)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(yīng)限制了其應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，納米技術(shù)在過渡金屬氧化物材料中的應(yīng)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(gòu)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(nèi)容如下:
　　(1)采用水熱反應(yīng)，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(jié)構(gòu)的生長過程。該β-MnO2/α-FeOOH枝狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出四次對稱性的新穎特征，經(jīng)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(jīng)過高溫煅燒

4、，得到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)的尺寸、形貌和多級的表面結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)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(xiàn)，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(yīng)。
　　(3)采用MnOOH納米棒為模版，利用吡咯單體的

7、聚合反應(yīng)，合成了MnOOH@PPy同軸納米棒。MnOOH@PPy同軸納米棒經(jīng)過高溫還原，得到了氮摻雜的碳包覆MnO同軸納米棒結(jié)構(gòu)(MnO@C-N)。研究了MnO@C-N與MnO的電化學性能，發(fā)現(xiàn)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