本文關鍵詞：鐵鈷錳金屬氧化物納米材料的合成及電化學性能研究

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【摘要】：隨著能源危機和環(huán)境污染問題日益明顯,開發(fā)綠色可再生的新能源已經(jīng)成為當今最熱門的主題之一。而鋰離子電池和超級電容器由于它們具有工作電壓高、比容量高、功率密度大、循環(huán)使用壽命長、自放電率小和無污染等優(yōu)點,被作為了最重要的新型儲能設備之一。由于鋰離子電池和超級電容器的實際應用在很大程度上取決于其電極材料,因此設計并合成出安全可靠,低成本的,性能優(yōu)異的電極材料成為了學術和工藝兩個方面的巨大挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的碳基材料相比,過渡金屬氧化物納米材料作為電極材料為提高電極材料的可逆容量和功率密度等提供了很多的可能性。而金屬氧化物納米材料的性能很大程度上取決于其結構特點,比如材料的形貌、尺寸和結構穩(wěn)定性等。因此控制合成形貌和尺寸統(tǒng)一的,結構穩(wěn)定的納米材料能在一定程度上改善電極材料的電化學性能。本文主要通過靜電紡絲法和水熱法合成形貌尺寸可控的,結構穩(wěn)定的金屬氧化物納米材料作為電極材料,從而實現(xiàn)鋰離子電池和超級電容性能的提高。主要內(nèi)容概括如下：(1)通過靜電紡絲法合成CoFe_2O_4/C納米纖維陣列,利用了XRD、SEM和TEM等技術對電極材料的結構和微觀形貌進行了表征。表征結果顯示合成的CoFe_2O_4/C材料是具有網(wǎng)狀結構的實心納米纖維,其中纖維的直徑在50-100 nm之間。用循環(huán)伏安和恒流充放電等電化學測試方法對其電容性能進行研究。結果表明,所合成的CoFe_2O_4/ C納米纖維電極表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學性能,其單電極初始比電容量達0.82 F cm~(-2),4000個循環(huán)后的放電容量仍保持在初始容量的82%左右。研究表明CoFe_2O_4/C納米纖維是一種比較有前景的電化學電容器電極材料。(2)將通過靜電紡絲法制備出的CoFe_2O_4/C納米纖維作為負極材料組裝成鋰離子電池進行性能測試。通過循環(huán)伏安曲線、充放電性能測試、循環(huán)性能測試及倍率性能測試等對其電化學性能作出分析。實驗結果表明,在電流密度為100 mAg~(-1),電壓窗口為0.01 V-3 V的條件下循環(huán)測試了100次。其中,前30個循環(huán)的循環(huán)性能是比較穩(wěn)定的,其庫倫效率也接近100%,其中首次放電比容量大約為973mAhg~(-1)。研究表明CoFe_2O_4/C納米纖維是一種具有一定潛在前景的鋰離子電池負極材料。(3)通過靜電紡絲法結合水熱法合成CoFe_2O_4/MnO_2/C納米管陣列,利用了XRD、SEM和TEM等技術對電極材料的結構和微觀形貌進行了表征。通過循環(huán)伏安曲線、充放電性能測試、循環(huán)性能測試及倍率性能測試等對其鋰離子電池性能作出分析。實驗結果表明,在100 mA g~(-1)的電流密度下,CoFe_2O_4/MnO_2/C納米管表現(xiàn)出一個高達15806 mA h g~(-1)的初始容量和一個穩(wěn)定的循環(huán)性能(250個循環(huán)后仍具有713.6 mAhg~(-1)的可逆容量)。通過對材料倍率性能的測試,我們發(fā)現(xiàn)鐵酸鈷納米纖維在經(jīng)過大電流充放電后,其充放電恢復能力是比較強的。相比CoFe_2O_4電極,CoFe_2O_4/MnO_2/C電極具有更好的循環(huán)性能和倍率性能。其增強的電化學性能主要歸因于穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構,碳緩沖層的存在,高的活性表面積以及MnO_2的高理論容量。另外,MnO_2納米片作為保護層,在進行電化學反應時維持了CoFe_2O_4的結構完整性。研究表明CoFe_2O_4/MnO_2/C材料是一種非常有潛力的鋰離子電池負極材料。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.1;TQ340.64

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