基于有機-無機層狀化合物原位熱解制備金屬氧化物-碳復合材料及其電化學性能研究.pdf

1、近年，過渡金屬氧化物作為電池負極材料受到廣泛關注。然而，過渡金屬氧化物自身的電導率低和充放電過程中嚴重的體積變化，致使其循環性能和實際容量較差，進而阻礙了其實際應用。為了提高過渡金屬氧化物的導電性、改善其循環穩定性及大倍率性能，將過渡金屬氧化物和碳材料進行納米化復合成為改善電化學性能的一種有效途徑。但是，這種復合材料還存在一些問題，如過渡金屬氧化物納米顆粒在碳基材料上的分散不均勻和鋰離子脫嵌過程中體積變化所需的緩沖空間不足。因此，需要尋

2、找粒徑小、分布均勻、具有特殊結構的復合材料以實現其電化學性能的進一步提升。本文采用有機-無機層狀化合物作為前軀體，采用原位熱解方法，制備了Co3O4/C、Fe3O4/C復合材料。結果表明，所制備的Co3O4/C、Fe3O4/C復合材料作為鋰離子電池負極均表現出良好的電化學性能。主要研究結果如下:
　　(1)通過原位熱分解有機-無機層狀化合物Co2(OH)2BDC，生成花瓣狀的Co/C納米片復合材料。顯微觀察表明，Co納米顆粒均勻的

3、鑲嵌在花瓣狀碳層上，粒徑約為5nm。該復合材料作為鋰離子電池負極材料，具有較高的容量、良好的循環性能以及大倍率性能。在電流密度100 mAg-1下首次放電和充電容量達到了1109mAhg-1和639 mAh g-1，并在之后的循環放電容量出現了逐漸增加的趨勢，到第70圈時放電容量增加到了767mAhg-1。在電流密度2000 mA g-1時電極仍有347mAhg-1的可逆容量，電流密度恢復至200 mAh g-1時，電極的可逆容量可達到

4、697 mAh g-1。
　　(2)以制備的花瓣狀Co/C納米片復合材料為基體，高溫氧化生成花瓣狀Co3O4/C納米片復合材料。Co3O4納米顆粒均勻的鑲嵌于花瓣狀納米碳層之上，其中Co3O4納米顆粒的直徑約為5nm，與Co納米顆粒相對應;花瓣狀碳層大小為150-200nm，厚度5-10 nm?；ò隊頒o3O4/C納米片復合材料的比表面積為47.64m2 g-1。作為鋰離子電池負極材料，電流密度100 mA g-1時30圈循環之后

5、容量仍保持1170 mAh g-1，且在電流密度2000 mAg-1下電極放電容量平均仍有395 mAhg-1，電流密度恢復至100 mAh g-1時，電極的可逆容量仍達到950 mAh g-1。
　　(3)通過原位熱分解有機-無機層狀化合物[N2C6H18][Fe1.5(SO4)F3]，制備了Fe3O4納米片/多孔碳復合材料。顯微觀察發現三維碳網是由類石墨烯的二維碳納米片圍成，而具有多邊形形態的Fe3O4納米片均勻鑲嵌在石墨化的

6、碳壁上，并被一層5nm左右的碳膜所包覆。這種納米復合結構的形成與前驅體結構與成分密切相關，有機-無機的層狀結構，誘導Fe3O4納米顆粒和熱解碳的二維方向成長，而無機層中大量的產氣基團(SO42-，F-)起到發泡劑的作用，在熱分解過程中促使熱解碳三維孔洞結構的生成。由于二維Fe3O4結構縮短了Li+的傳輸路徑，加快其脫嵌速度，同時三維網絡結構可有效緩沖Fe3O4的體積變化和大大提高電解液與活性材料的接觸面積，因此該復合材料表現出良好的電化