三維有序大孔金屬氧化物的制備及電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池是應用和開發前景最好的一種電源,已廣泛應用于各種便攜式電子設備。選取良好的負極材料是改善和提高鋰離子電池容量和循環性能關鍵之一。傳統的碳負極材料較低的比容量和較差的安全性己成為進一步提高電池整體性能的瓶頸。因此,世界范圍內正在努力尋求替代石墨的新型鋰離子電池負極材料。納米金屬氧化物電極材料因其較高的充放電容量和較好的應用安全性成為關注的熱點之一。
　　近來研究表明,三維有序大孔(3DOM)電極材料因具有較大的比表面積和較

2、薄孔壁產生了更多的Li+嵌入活性位,縮短了Li+擴散路徑;從而減少了電極極化,提高材料的倍率性能。結合3DOM材料及金屬氧化物的優點,相信鋰離子電池3DOM金屬氧化物負極材料有著廣闊的應用前景。
　　本文綜述了鋰離子電池負極材料和三維有序大孔材料的研究進展。通過膠晶模板法,分別制備了3DOM SnO2、α-Fe2O3、CoFe2O4等金屬氧化物負極材料,運用XRD、SEM、TEM、IR、BET、TG-DTA等測試技術對材料的結構和

3、微觀形貌進行了分析和表征。采用恒電流充放電、循環伏安(CV)和電化學阻抗譜(EIS)等技術對其電化學性能進行了測試。本論文主要研究內容如下:
　　1.采用乳液聚合的方法制備了275±10 nm聚苯乙烯(PS)微球乳液,通過自然沉降和離心兩種方法將微球排列成PS膠晶模板,SEM分析表明膠晶模板在大面積范圍內呈多層、有序、規則緊密排列,缺陷較少,層次感較強。
　　2.以SnCl2·2H2O的乙醇溶液為前軀體,制備了3DOM Sn

4、O2納米電極材料。SEM分析表明所制備的樣品具有多層三維有序大孔的結構,孔徑215±10 nm之間,孔壁厚度約為20～30 nm。TEM圖片顯示孔壁由SnO2納米晶粒組成,單孔為圓形或六邊形形貌。當3DOM SnO2電極以0.2 C電流密度在0.01～2.0 V范圍內充放電測試。首次可逆容量高達769 mAh·g-1,容量隨循環次數增加而衰減。若充放電范圍為0.01～0.8 V,20次循環后可逆容量保持在457 mAh·g-1。另外,通

5、過循環伏安曲線和微分電容曲線分析,研究了3DOM SnO2與Li+的反應機理。
　　3.以Fe3+的乙二醇-甲醇混合溶液為前驅體,制備了3DOMα-Fe2O3。SEM圖顯示3DOMα-Fe2O3具周期性空隙結構;單孔孔徑為115±10 nm,孔壁厚度約為20～30 nm。電化學研究表明,以50 mA·g-1電流密度在0.01~3.0 V范圍內進行充放電測試。首次放電充電容量分別達到1880和1130 mAh·g-1,20次循環后可

6、逆容量為首次可逆容量的56％,表現出較好的電化學性能。
　　4.以總濃度為1.5 mol/L的混合金屬離子(Co2+:Fe3+=1:2,摩爾比)的乙二醇-甲醇溶液為前驅體,制備了3DOM復合過渡金屬氧化物CoFe2O4。SEM圖分析表明3DOM CoFe2O4單孔為六邊形形貌,孔徑為125 nm左右,三維通道證實各個單孔是相互交聯在一起。BET測試3DOM CoFe2O4的比表面積高達66.67 m2·g-1,遠高于CoFe2O4