鋰離子電池錳基混合過渡金屬氧化物負極材料的制備及儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點，已經(jīng)在便攜式小型電子設(shè)備、電動汽車以及混合動力電動車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，目前的鋰離子電池性能仍不能滿足日益增長的應(yīng)用需求。在所有鋰離子電池的組成中，負極材料成為決定鋰離子電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，現(xiàn)在的石墨電極容量低，難以滿足消費者對容量等性能的需求。因此，研究開發(fā)新型高性能的負極材料具有十分重要意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計了以乙醇/水混合溶劑為反應(yīng)體

2、系、草酸為沉淀劑的共沉淀反應(yīng)，制備了形貌均勻的一維棒狀草酸鹽MC2O4·xH2O(M=Zn，Mn)前驅(qū)物，經(jīng)焙燒后獲得了一維微納結(jié)構(gòu)尖晶石型ZnMn2O4材料。我們對材料的組分、形貌等微結(jié)構(gòu)特征進行了分析，并測試了其儲鋰性能。測試結(jié)果表明:多孔ZnMn2O4納米棒是由顆粒組裝而成。與不規(guī)則的顆粒狀產(chǎn)物相比，一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4負極材料具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1C倍率下，其首次放電比容量高達1741.5mAhg-1。在0.5和

3、1C倍率下，300次循環(huán)后一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4的放電比容量分別為518.2和374.6 mAh g-1，其容量保持率分別高達81.3％和75.5％。一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4負極材料優(yōu)異的電化學(xué)性能主要歸因于:其特殊的一維微納結(jié)構(gòu)能夠在充放電過程中保持一致的充放電狀態(tài)，同時縮短鋰離子的擴散路徑，有利于材料中電子和鋰離子遷移;還能緩沖鋰離子在充放電過程中引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，從而有效地提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。

4、⑵將乙醇/水混合溶劑體系中進行的共沉淀反應(yīng)進行拓展，設(shè)計了一維微納結(jié)構(gòu)錳基負極材料的通用合成方法，并成功制備了一系列錳基混合過渡金屬氧化物，其中包括ZnMnO3和AMn2O4(A=Ni、Fe、 Cu、Mg)。儲鋰性能研究表明:基于本通用方法所合成的一維微納結(jié)構(gòu)錳基負極材料大部分具有良好的儲鋰性能。其中，ZnMnO3和NiMn2O4儲鋰性能更加優(yōu)異。在0.5 C倍率下，ZnMnO3首次放電比容量為581.6 mAh g-1，經(jīng)過300次循

5、環(huán)后依舊保持有382.9 mAh g-1的放電比容量，容量保持率達到65.8％; NiMn2O4在0.5 C倍率下首次放電比容量達到704.2 mAh g-1，在循環(huán)200次后保持有292.9mAh g-1的放電比容量;而FeMn2O4具有良好的循環(huán)性能，在0.5 C倍率下循環(huán)500次后仍然可以提供高達1017.3mAh g-1的放電比容量，庫倫效率均保持在99％以上。⑶分別采用化學(xué)氧化還原法和水熱沉積法，在不銹鋼基底上設(shè)計制備了兩種不

6、同形貌的Fe2O3納米結(jié)構(gòu)陣列薄膜，并研究了其潤濕性能以及儲鋰性能。結(jié)果表明:經(jīng)化學(xué)氧化還原法所制備的Fe2O3微納多級結(jié)構(gòu)陣列薄膜比水熱沉積法所制備的Fe2O3納米棒陣列薄膜表現(xiàn)出更好的水潤濕性能。Fe2O3微納多級結(jié)構(gòu)陣列薄膜的接觸角變小，表面自由能增加，這是由于極性力分量變化導(dǎo)致的。而Fe2O3納米棒陣列薄膜接觸角變大，表面自由能減少，這是由于色散力分量變化造成的。這兩種基于導(dǎo)電基底上生長的納米結(jié)構(gòu)陣列薄膜具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且