本文關(guān)鍵詞：核殼結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物的制備及其電化學(xué)性能測試，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著鋰離子電池在電動車和儲能設(shè)備等大功率用電器具方面的應(yīng)用越來越廣泛,消費(fèi)者需要商用的電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏�、電壓平穩(wěn)和良好的循環(huán)性能,而電池的性能與電極材料的結(jié)構(gòu)密不可分。過渡金屬氧化物作為負(fù)極材料有較高的比容量和較低的脫嵌鋰平臺,引起了越來越多的關(guān)注。但其充放電過程中體積變化大,限制了使用壽命和倍率性能。所以,近年來一種核殼結(jié)構(gòu)的電極材料被廣泛用到鋰離子電池中,實(shí)現(xiàn)核與殼的功能互補(bǔ)和復(fù)合,能有效改善電池的綜合性能。同時納米尺寸的電極材料能夠縮短Li+和電子的傳導(dǎo)路徑,進(jìn)而提高可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性�；谝陨蟽牲c(diǎn),本文通過簡單的水熱法、沉淀法和離子交換等方法制備了納米尺寸的核殼結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料。(1)本文采用溶劑熱法合成純度高、分散性好、結(jié)構(gòu)可控的小納米球堆疊而成的Fe3O4納米微球。再用超聲沉淀法在Fe3O4表面包覆一層Mn3O4納米片,形成核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@Mn3O4納米微球。運(yùn)用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和電化學(xué)測試對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征。經(jīng)過電化學(xué)測試,Fe3O4@Mn3O4納米微球在電流密度0.1C下的初始放電容量為1018 mAhg-1,循環(huán)200次后容量保持在639 mAhg-1。在這過程出現(xiàn)了容量先下降后上升的現(xiàn)象,容量上升的現(xiàn)象也曾經(jīng)出現(xiàn)在過渡族金屬氧化物中,原因可能是鋰離子同電解液和核殼納米粒的相互作用從表面逐步進(jìn)行到內(nèi)部,是一個逐步活化電極材料的過程。而單獨(dú)的Fe3O4納米微球的初始放電容量為940 mAhg-1,200次循環(huán)后容量保留率只有21.4%。(2)前一章已經(jīng)成功的合成出了Fe3O4@Mn3O4協(xié)同作用的核殼結(jié)構(gòu)材料,很大程度提高了電化學(xué)性能。為了進(jìn)一步增強(qiáng)導(dǎo)電性,本章將牛血清白蛋白作為媒介物質(zhì),利用其中的組氨酸對特定金屬離子的吸附特性來連接兩種過渡金屬氧化物,經(jīng)過熱處理后牛血清白蛋白作為碳層,制備出Fe3O4@C@Mn3O4多級核殼結(jié)構(gòu)。為了探討多級核殼結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制,改變牛血清白蛋白的加入量來進(jìn)行形貌觀察。得出核殼結(jié)構(gòu)的形成與氨基酸的活性位點(diǎn)、金屬離子半徑及價鍵理論有關(guān)。將Fe3O4@C@Mn3O4多級核殼結(jié)構(gòu)作為電池負(fù)極材料,電化學(xué)測試顯示,在0.1 C電流速率下其初始放電容量為1261 mAhg-1,循環(huán)200次后仍有987 mAhg-1容量保留,表現(xiàn)出了良好的循環(huán)性能。提高的電化學(xué)性能歸結(jié)于兩點(diǎn):首先碳材料可以緩解由體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力和活性物質(zhì)團(tuán)聚;其次碳具有良好的導(dǎo)電性,可以提高電極的電子導(dǎo)電率。(3)本章基于金屬有機(jī)框架(MOF)的理念,運(yùn)用離子交換的方法將Mn2+替代K3[Fe(CN)6]中的K+,合成Mn3[Fe(CN)6]2前驅(qū)體,再經(jīng)過熱處理煅燒制備出粒徑在500-800 nm的MnFe2O4介孔納米微球,平均介孔尺寸為18.38 nm,BET比表面積和介孔體積分別為55.1 m2/g和0.36 m3/g。大比表面積賦予了電極-電解液大的接觸面積和更多的存儲鋰空間,而分級介孔特性可以更好地傳輸Li+和電解質(zhì)分子,縮短電極材料的運(yùn)輸路徑,緩解充放電過程中引起的體積變化。之后用化學(xué)浴沉積在MnFe2O4介孔微球表面包覆一層TiO2,TiO2擁有好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長的循環(huán)壽命,兩者復(fù)合后合成出了核殼結(jié)構(gòu)MnFe2O4@TiO2介孔微球,在0.1 C電流密度下循環(huán)200次后仍有456 mAh/g可逆容量。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池負(fù)極 核殼結(jié)構(gòu) 表面包覆 過渡金屬氧化物 介孔結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646;TM912
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-22
• 1.1 引言9
• 1.2 鋰離子電池的簡介9-12
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展史9-10
• 1.2.2 鋰離子電池的組成及工作原理10-11
• 1.2.3 鋰離子電池的特點(diǎn)11-12
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展12-14
• 1.3.1 碳類負(fù)極材料12-13
• 1.3.2 硅、錫基負(fù)極材料13-14
• 1.3.3 過渡金屬氧化物負(fù)極材料14
• 1.4 復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料14-17
• 1.4.1 過渡金屬氧化物復(fù)合材料14-16
• 1.4.2 合金復(fù)合材料16-17
• 1.5 合成負(fù)極材料的方法17-20
• 1.5.1 溶劑熱法17
• 1.5.2 沉淀法17-18
• 1.5.3 金屬有機(jī)框架法18
• 1.5.4 微波法18-19
• 1.5.5 溶膠-凝膠法19
• 1.5.6 電化學(xué)法19-20
• 1.6 本論文的選題依據(jù)及研究內(nèi)容20-22
• 1.6.1 本論文研究背景20
• 1.6.2 本論文研究內(nèi)容20-22
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料與測試設(shè)備22-25
• 2.1 試驗(yàn)所用藥品22-23
• 2.2 實(shí)驗(yàn)儀器或設(shè)備23
• 2.3 材料結(jié)構(gòu)表征23-25
• 第三章 核殼結(jié)構(gòu)Fe_3O_4@Mn_3O_4的合成及性能測試25-31
• 3.1 樣品合成過程25-26
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論26-31
• 3.2.1 物相表征26-27
• 3.2.2 形貌和結(jié)構(gòu)分析27-28
• 3.2.3 KMnO_4的量對形貌的影響28-29
• 3.2.4 電化學(xué)性能測試29-31
• 第四章 核殼結(jié)構(gòu)Fe_3O_4@C@Mn_3O_4的合成及性能測試31-38
• 4.1 樣品合成過程31-32
• 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論32-38
• 4.2.1 物相表征32-33
• 4.2.2 形貌和結(jié)構(gòu)分析33-34
• 4.2.3 BSA的加入量對形貌的影響34-35
• 4.2.4 Fe_3O_4@BSA@Mn_3O_4核殼結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制35-36
• 4.2.5 電化學(xué)性能測試36-38
• 第五章 MnFe_2O_4@TiO_2介孔微球的合成及性能測試38-45
• 5.1 樣品的制備過程38-39
• 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論39-45
• 5.2.1 物相表征39-40
• 5.2.2 形貌和結(jié)構(gòu)分析40-42
• 5.2.3 不同PVP含量和反應(yīng)時間對形貌的影響42-43
• 5.2.4 電化學(xué)性能測試43-45
• 第六章 結(jié)論45-46
• 致謝46-47
• 參考文獻(xiàn)47-54
• 作者簡介54
• 攻讀碩士學(xué)位期間研究成果54

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本文編號：330851