幾種金屬和氧化物基電極材料的納米結構構筑和電化學性能研究.pdf

1、為了應對日益緊迫的能源危機和環境污染問題，人們對儲能二次電池的需求日益增加，同時也對電池的性能提出了更高的要求。要開發出高比容量、長循環壽命、高穩定性的電極材料，依賴于材料結構的構筑和調控。本論文旨在以電極材料的結構構筑和電化學性能分析為導向，選擇合適的方法對電極材料進行可控合成和結構構筑，并詳細研究所得產物在鋰離子電池、水系離子電池等儲能領域的性能。分別選取了Fe3O4、Sn和MnO2電極材料作為轉換反應機制、合金機制和插入機制的代表

2、材料，通過納米化、碳復合等方法設計合成出不同的納米結構，測試材料的電化學性能并研究其構效關系。本論文的主要內容如下:
　　1、設計構筑了包覆氮摻雜碳的Fe3O4納米片結構(Fe3O4F@NC)。吡咯作為氮摻雜碳源，被由靜電作用吸附在Fe3O4納米片表面的表面活性劑分子十二烷基硫酸鈉固定在Fe3O4納米片表面，被過硫酸銨氧化成聚吡咯，熱處理后得到了Fe3O4FNC。對比氮摻雜碳包覆的Fe3O4納米顆粒，Fe3O4納米片復合材料展現出

3、更為優異的電化學性能?？梢酝ㄟ^調控吡咯的初始加入量，控制Fe3O4F@NC復合材料中的碳含量。作為鋰離子電池負極材料，碳含量44％時材料的電化學性能最好。在0.2C的倍率下循環200圈后容量仍高于1000mAhg-1，在1C的倍率下循環500圈后容量仍保持662mAhg-1，且5C的大倍率下循環200圈后容量保持600mAhg-1，展示出良好的循環穩定性和倍率性能。Fe3O4F@NC優異的電化學性能得益于Fe3O4納米片的二維結構和氮摻

4、雜碳材料的共同作用。
　　2、設計構筑了均勻分散有Sn納米顆粒的氮摻雜碳空心球結構（Sn@NC）。吡咯作為碳源，溶劑熱合成的SnO2納米球作為錫源和自犧牲模板，先得到聚吡咯包覆SnO2的核殼結構，700℃的熱處理下，聚吡咯分解成氮摻雜碳和SnO2還原成金屬Sn同步進行，且由于Sn低熔點的特征，使其在熔融狀態下分散在空心碳納米球中，最后得到的Sn@NC空心納米球的外徑約80-100nm，內徑約為50nm，其中Sn納米顆粒尺寸為5-3

5、0nm。作為鋰離子電池負極材料，Sn@NC表現出良好的電化學性能，在0.2C的倍率下循環200圈后容量為1070mAhg-1，在1C的倍率下循環400圈后容量仍保持929mAhg-1，且5C的大倍率下循環500圈后容量保持500mAhg-1。Sn@NC優異的儲鋰性能主要得益于氮摻雜碳的空心納米球結構及其中分布均勻的Sn納米顆粒的共同作用。同時我們分析研究了電極材料在循環過程中容量上升的原因，發現循環過程中凝膠狀聚合物膜的可逆生成和分解以

6、及循環后期增大的贗電容效應，會導致材料在循環過程中出現容量上升的現象。
　　3、構筑了層狀δ-MnO2納米片褶皺結構，其中納米片厚度在2nm左右，平均橫向尺寸約為200nm。利用氧化石墨烯作為還原劑和自犧牲模板，在水熱條件下一步法合成出具有褶皺結構的層狀δ-MnO2納米片。作為水系鋅離子電池的正極，δ-MnO2納米片與δ-MnO2微米球相比，無論是活化時間、比容量還是循環穩定性，δ-MnO2納米片都要優于微米球。δ-MnO2納米片