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锂离子电池由于低耗、安全、高压、长寿命、能量密度高、可快速充放电等优点,在民用、军用领域都有着广泛的应用。但是传统商业化石墨负极材料的理论容量(372 mAh/g)相对较低,阻碍了具备大功率、高能量密度电池的发展。因此发展与研究新型负极材料成为当前的迫切需求。纳米材料由于其本身的比表面积高、尺寸较小等效应在锂离子二次电池负极材料中有着广泛的应用前景。
本文设计并制备了具有核壳中空结构的MFe2O4/C(M=Fe、Cu、Co、Ni、Mn)纳米复合材料,对其进行了表征和电化学性能测试。论文主要内容如下:
(1)利用水热反应工艺,采用各种模板剂与溶剂体系探索有机模板剂对无机化合物合成的影响与作用,对氧化物纳米四氧化三铁实现可控合成。通过调节模板剂与溶剂,制备出了多种形貌的纳米Fe3O4,其中,对具备中空核壳结构纳米Fe3O4/C复合材料进行了表征,并结合充放电测试、循环伏安测试、交流阻抗测试等研究了该材料在锂离子二次电池中的应用。通过研究发现,该材料具备了并表现出了较高的循环容量和良好的循环稳定性。
(2)以高分子材料作为模板剂,通过水热合成工艺制备了具备中空核壳结构的碳包覆中空CuFe2O4纳米球,对其进行了表征,并结合充放电测试、循环伏安测试研究了该材料的电化学性能,初步探索了碳包覆中空CuFe2O4纳米球的嵌锂过程。通过研究发现,该铁酸盐复合纳米氧化物改善了单一过渡金属氧化物的放电平台不稳、工作电压较高等缺点,并表现出了较高的循环容量(在60 mA/g下,100循环时,550 mAh/g)和相对平坦的放点平台,尤其在倍率充放电中表现出了良好的性能(在1.6 A/g的大电流密度循环后,当电流密度回落到100 mA/g时,容量回复到初始容量的91％,约480 mAh/g)。
(3)通过模板法制备了具备中空、核壳结构的MFe2O4/C(M=Co、Ni、Mn)复合材料,对其进行了表征,并初步研究了其电化学性能。研究发现,中空核壳结构CoFe2O4/C复合材料表现出了高比容量(850 mAh/g,相当于传统商业石墨负极材料理论容量的两倍多),并且具有相对稳定的放电平台。
合成的纳米(复合)氧化物材料由于具备内部中空结构,外部碳包覆以及纳米尺寸,从而表现出了良好的电化学性能,作为负极材料在新一代的锂离子电池中有很大的应用前景,同时,我们的工作为将来锂离子电池负极材料研究与应用提供了有价值的参考。