過渡金屬氧化物-碳納米管鋰離子電池負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能.pdf

1、鋰離子電池因其高的工作電壓、大的能量密度、輕質(zhì)、無記憶效應(yīng)、長循環(huán)壽命和對環(huán)境友好等特點(diǎn)，已經(jīng)普遍應(yīng)用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手提電腦等便攜式電子設(shè)備，同時在電動汽車動力電源上展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。過渡金屬氧化物因具有較高的理論容量，所以得到了廣泛的研究。但大部分過渡金屬氧化物導(dǎo)電性較差，會加快容量的損失，而且其反應(yīng)機(jī)理為轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制，在充放電過程中會引起非常大的體積膨脹，從而導(dǎo)致電極的粉碎，以至于材料完整性受到損壞。因此，提高這類材料的導(dǎo)電

2、性以及循環(huán)穩(wěn)定性是改性的重點(diǎn)要求。由于碳納米管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（一維管狀結(jié)構(gòu)）、高導(dǎo)電率、高比表面所以其具有良好的儲鋰能力。為了得到循環(huán)性能良好的鋰離子電池，可以通過將高比容量的過渡金屬氧化物與良好導(dǎo)電性及獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)的碳納米管復(fù)合，得到一定結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料并作為鋰離子電池負(fù)極材料。這將會成為一種很有應(yīng)用前景的方法。
　　因此，本文致力于使用比較簡單的合成方法來制備具有一定結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物和多壁碳納米管(MWNTs)的復(fù)合材料，研

3、究作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)通過簡單熱分解的方法成功合成了MnO納米顆粒均勻生長在MWNTs表面的MnO/MWNTs復(fù)合材料。其中，酸化的碳管和氨水為MnO顆粒生長在MWNTs上發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。惰性氣氛下的煅燒也必不可少。通過SEM和TEM圖觀察到，MnO/MWNTs復(fù)合材料中MnO顆粒尺寸約為20-50 nm，而直接在惰性氣氛下分解得到的MnO顆粒尺寸為20-70 nm，且顆粒

4、之間明顯地發(fā)生了團(tuán)聚。XPS測試中C-O鍵的出現(xiàn)顯示出MnO納米顆粒和MWNTs外表面化學(xué)鍵的形成。交流阻抗譜的結(jié)果顯示MnO/MWNTs電極由于MWNTs的加入，促進(jìn)了電子導(dǎo)電性及鋰離子傳輸。電化學(xué)測試結(jié)果顯示，MnO/MWNTs復(fù)合材料電極相對于MnO顆粒和酸化MWNTs，表現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)循環(huán)和倍率性能。即在100 mA g-1電流密度下，循環(huán)100次后比容量達(dá)到801.6 mAh g-1。在100，200，400，800和16

5、00 mA g-1電流密度下，比容量分別達(dá)到581.7，533.2，496.5，417.3和287.9 mAh g-1。當(dāng)電流密度恢復(fù)到100mA g-1，比容量達(dá)到729.0 mAh g-1。因此，利用本實驗中簡單合成方法制備的MnO/MWNTs復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料展現(xiàn)了良好的電化學(xué)性能。
　　(2)通過新穎的濕化學(xué)填充方法和熱分解方法成功合成Fe3O4納米顆粒填充進(jìn)MWNTs納米中空通道中的復(fù)合材料(Fe3O4@MW

6、NTs)。通過TEM圖可以清楚地看到，MWNTs經(jīng)過堿化處理后，其端口碳原子被腐蝕，從而封閉的端口被打開。同時，長時間攪拌有利于Fe3+借助毛細(xì)管力進(jìn)入到MWNTs納米空腔。惰性氣氛煅燒后，F(xiàn)e3O4顆粒直徑大約在10-15 nm。相比于尺寸10nm左右的Fe3O4納米顆粒和堿化后MWNTs，F(xiàn)e3O4@MWNTs表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。結(jié)果顯示，F(xiàn)e3O4@MWNTs在100 mA g-1電流密度下循環(huán)150次后比容量達(dá)到757.7