锂离子电池过渡金属氧化物负极材料的结构设计与电化学性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hengheng5251984
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目前商业化的锂离子电池负极材料以石墨为主,但是其理论容量偏低(372mAh·g-1),不能满足电子产品及电动汽车对高能量密度、高安全性锂离子电池的发展需求。过渡金属氧化物具有容量高、安全性好等优点,是很有前途的一类负极材料。但是,氧化物负极材料导电性差、充放电过程体积变化大等因素往往会影响其倍率性能及循环稳定性等。本文以NiFe2O4、ZnFe2O4、CoxFe3-xO4、CoxMn3-xO4及Co3O4等尖晶石结构的氧化物为研究对象,探索了几种改性策略,以达到改进其电化学性能的目的。主要的研究内容包括:  1.氢气还原对NiFe2O4结构及电化学性能的影响。先通过水热法合成了NiFe2O4八面体,再通过氢气加热还原的办法,将该样品中的少部分Ni2+还原为单质Ni,同时产生了氧空位,制备出带氧空位的Ni/NiFe2O4纳米复合材料。与氢化处理前的样品相比,该复合材料的循环性能提高了60%,倍率容量提高到了3倍以上,电化学性能的改善可以归结于氢化诱导的Ni单质和空位缺陷的协同影响。  2.过渡金属氧化物-石墨烯纳米复合物的制备与电化学性能研究。以水合肼为Ni2+和Fe3+的沉淀剂,同时也作为氧化石墨烯的还原剂,同步合成了ZnFe2O4-rGO纳米复合材料。该纳米复合材料在100 mA g-1电流下,50次循环后的放电比容量最高可达1020 mAh g-1;在1000 mA g-1电流密度下,容量依然可以达到大约800 mAh g-1,性能获得了很大改善,这主要归因于“同步法”合成能够改善石墨烯的分散程度以及氧化物与石墨烯之间的结合。  3.过渡金属氧化物多级结构的制备、表征与电化学性能研究。借助表面活性剂SDS和SDBS,分别合成了形貌不同的普鲁士蓝类似物模板,经过煅烧得到了Fe1.2Co1.8O4纳米立方体和FeCo2O4纳米球两个二级结构双金属氧化物,两个材料都具有中空、多孔结构。两者的电化学性能都要明显超过作为对照的Fe1.2Co1.8O4纳米颗粒。Fe1.2Co1.8O4纳米立方体的循环容量(100 mA g-1;50次)可以达到721 mAg-1,倍率容量(1000 mA g-1)可达504 mAh g-1;FeCo2O4纳米球的相应数据则分别是1060和823 mAh g-1。  4.核壳结构CoxMn3-xO4的制备及电化学性能研究。以水热法合成的碳球为硬模板,结合对水解温度的调节,制备了具有不同内壳直径和不同外壳基本组分的核壳结构CoxMn3-xO4,并对其形貌成因进行了分析,对其电化学性能也进行了初步的比较。  5.Co3O4-Ag复合材料的制备、表征与电化学性能研究。利用含有Ag的普鲁士蓝类似物为模板,煅烧得到了Co3O4-Ag单层结构和核壳结构的复合材料。经过表征发现单层壳的Co3O4-Ag的Ag分布比较均匀,而核壳结构的样品中,Ag优先分布于表层。这种形貌和成分分布的差异,可能是导致其电化学性能差异的重要原因。
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