本文關(guān)鍵詞： 納米材料 鋰離子電池 過渡金屬氧化物 氧化錳 氧化鐵 異質(zhì)納米結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料 同軸納米棒 多級結(jié)構(gòu) 碳包覆　出處：《山東大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：由于日益凸顯的能源危機(jī)、環(huán)境問題,核能、太陽能等產(chǎn)生的電能需得到高效儲存的要求,發(fā)展高效、廉價和環(huán)境友好的儲能裝置就成為科學(xué)界和工業(yè)界面對的重要的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。二次鋰離子電池相較于傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫電池,具有高能量密度、電壓平穩(wěn)、自放電率小、持久的循環(huán)性能以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在我們?nèi)粘Ｋ玫男⌒鸵苿与娮釉O(shè)備中發(fā)揮著重要的作用。目前,隨著鋰離子電池在電動汽車和智能電網(wǎng)等大功率用電器和儲能領(lǐng)域的發(fā)展,人們對商業(yè)化的鋰離子電池提出了更高的要求。而高性能鋰離子電池的實(shí)現(xiàn)依賴于其中電極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能提升。過渡金屬氧化物負(fù)極材料具有高于傳統(tǒng)的碳/石墨基負(fù)極材料2-3倍的理論比容量,是實(shí)現(xiàn)高容量、高功率、長壽命的鋰離子電池的潛在電極材料。但是,其較差的電子電導(dǎo)率及循環(huán)過程中的體積效應(yīng)限制了其應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn),納米技術(shù)在過渡金屬氧化物材料中的應(yīng)用可以有效的緩解以上缺點(diǎn)。因此,發(fā)展過渡金屬氧化物納米電極材料來解決上述問題,對提高鋰離子電池的整體性能具有重要的實(shí)際意義。 在本論文中,我們旨在利用簡單的方法構(gòu)筑高性能的鋰離子電池納米電極材料,為鋰離子電池負(fù)極材料的發(fā)展提供有益的探索。本論文的主要內(nèi)容如下： (1)采用水熱反應(yīng),首次在β-MnO2納米棒表面成功外延生長α-FeOOH納米棒。并通過時間演化,研究了該結(jié)構(gòu)的生長過程。該β-MnO2/a-FeOOH枝狀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出四次對稱性的新穎特征,經(jīng)高分辨透射電鏡照片證明,主要是由于FeOOH的(010)晶面與Mn02的(100)晶面的晶格匹配。經(jīng)過高溫煅燒,得到結(jié)構(gòu)保持的β-MnO2/a-Fe2O3枝狀納米棒。并且詳細(xì)考察了β-MnO2納米棒、α-Fe2O3多孔納米棒以及β-MnO2/a-Fe2O3枝狀納米棒的電化學(xué)性能。β-Mn02/a-Fe2O3枝狀結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能,在1Ag-1的電流密度下,循環(huán)200圈后,還能保持1028mAhg-1的比容量；在4Ag-1的電流密度下,比容量還能達(dá)到881mAhg-1。 β-MnO2/a-Fe2O3枝狀結(jié)構(gòu)具有的較高的比表面積、豐富的多孔性以及β-MnO2與α-Fe2O3之間的協(xié)同作用等對提高電極材料的性能起到至關(guān)重要的作用。 (2)采用枝狀β-MnO2/a-Fe2O3納米棒與葡萄糖溶液在190℃下水熱反應(yīng)5小時,制備得到多級核殼α-Fe2O3@C納米管。該納米管繼承了β-MnO2/a-Fe2O3結(jié)構(gòu)的尺寸、形貌和多級的表面結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)物β-MnO2/a-Fe2O3納米棒與葡萄糖的比例,得到具有不同碳層厚度的多級核殼a-Fe2O3@C納米管,并研究了其鋰離子電池負(fù)極性能。通過鋰電測試發(fā)現(xiàn),碳層最薄的樣品具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。他們在0.2和1Ag-1電流密度下循環(huán)100圈后,還能分別得到1173,1014mAh g-1的比容量。甚至在4Ag-1下循環(huán)1000圈,容量還能保持在482mAh g-1.該優(yōu)異的電化學(xué)性能主要得益于多級核殼a-Fe2O3@C納米管較薄的碳層,可以有效地促進(jìn)電子、離子傳輸和抑制充放電過程中的體積效應(yīng)。 (3)采用MnOOH納米棒為模版,利用吡咯單體的聚合反應(yīng),合成了MnOOH@PPy同軸納米棒。MnOOH@PPy同軸納米棒經(jīng)過高溫還原,得到了氮摻雜的碳包覆MnO同軸納米棒結(jié)構(gòu)(MnO@C-N)。研究了MnO@C-N與MnO的電化學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)MnO@C-N具有明顯增大的比容量、倍率性能和循環(huán)性能。Li/MnO@C-N電極在500mAg1電流密度下的循環(huán)100圈后,比容量達(dá)到982mAh g-1,相比于Li/MnO電極的703mAh g-1有了較大的提高。Li/MnO@C-N電極在1000mAg-1的大電流密度下循環(huán)900圈,還能保持679mAh g-1的比容量。該優(yōu)異的電化學(xué)性能可以歸結(jié)于氮摻雜的碳包覆一維結(jié)構(gòu),其可以有效地促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移和抑制體積效應(yīng)。
[Abstract]:Due to increasing energy crisis, environmental issues, nuclear energy, solar generated electricity requirements, can be stored, the development of efficient, inexpensive and environmentally friendly energy storage device becomes a scientific and industrial interface on important challenges and opportunities. Lead acid, two lithium ion battery compared to traditional nickel metal hydride battery with high energy density, stable voltage, low self discharge rate, long cycle performance and green environmental protection and other advantages, plays an important role in the small mobile electronic devices we use every day. At present, with the development of lithium ion battery for electrical appliances and storage in the field of electric vehicles and smart power grid the people put forward higher requirements for commercial lithium-ion battery. And the realization of high performance lithium ion batteries depends on the structure and properties of electrode materials improved. Transition metal oxide anode material The material is higher than the traditional carbon / graphite based anode materials 2-3 times the theoretical capacity is to achieve high capacity, high power, potential electrode material of lithium ion battery life. However, the volume effect of its poor electronic conductivity and circulation in the process of limiting its application. The study found application in nanotechnology transition metal oxide materials can effectively alleviate the above disadvantages. Therefore, the development of transition metal oxide electrode material to solve the above problems, it has important practical significance to improve the overall performance of the lithium ion battery.
In this paper, we aim to build high-performance lithium-ion battery nano electrode materials by simple methods, and provide useful exploration for the development of anode materials for lithium ion batteries.
(1) by hydrothermal reaction for the first time, the growth of -FeOOH nanorods in alpha beta -MnO2 nanorods. And through the successful extension of time evolution, to study the growth process of the structure. The beta -MnO2/a-FeOOH dendritic structure presents four novel symmetrical features, proved by high resolution transmission electron microscope photograph, mainly due to FeOOH (010) surface and Mn02 (100) crystal plane lattice matching. After calcination, get beta -MnO2/a-Fe2O3 branched nanorods structure. And keep the detailed examination of the beta -MnO2 nanorods, porous -Fe2O3 nanorods and -MnO2/a-Fe2O3 beta alpha branched nano rod. The electrochemical properties of beta -Mn02/a-Fe2O3 dendritic structure has excellent electrochemical performance and in the current density of 1Ag-1, after 200 cycles, can maintain the specific capacity of 1028mAhg-1; in the current density of 4Ag-1, the specific capacity can reach 881mAhg-1. beta -MnO2/a-Fe2O3 dendritic structure with a The high specific surface area, abundant porosity and synergism between the beta -MnO2 and the alpha -Fe2O3 play an important role in improving the performance of the electrode materials.
(2) using dendritic beta -MnO2/a-Fe2O3 nanorods and glucose solution at 190 DEG C hydrothermal reaction for 5 hours, the prepared multi core shell nanotubes. The alpha -Fe2O3@C beta -MnO2/a-Fe2O3 nanotubes inherited the structure size, morphology and surface structure. By adjusting the multistage reactant beta -MnO2/ a-Fe2O3 nanorods with glucose ratio, by multistage nuclear the shell of a-Fe2O3@C nanotubes with different thickness of carbon layer, and to study the performance of lithium ion battery cathode by lithium. The test found that the rate performance and cycle stability of carbon layer of the thin sample has the best. They in 0.2 and the current density of 1Ag-1 after 100 cycles, but also were 11731014mAh g-1 or even cyclic capacity. The 1000 circle in 4Ag-1, the capacity can still maintain carbon layer on the electrochemical properties of the 482mAh g-1. is mainly due to the excellent multi core shell a-Fe2O3@C nanotube thin, can effectively promote the The volume effect in the electron, ion transmission and inhibition of charge discharge.
(3) using MnOOH nanorods as template, using the polymerization of pyrrole monomer, MnOOH@PPy nanorods and.MnOOH@PPy nanorods through coaxial coaxial reductive synthesis, the nitrogen doped carbon coated MnO coaxial nanorod (MnO@C-N) was studied. The electrochemical performances of MnO@C-N and MnO, found that MnO@C-N has significantly increased the capacity, rate the performance and cycle performance of.Li/MnO@C-N electrode in 500mAg1 current densities after 100 cycles, specific capacity reached 982mAh g-1, compared to the Li/MnO 703mAh g-1 electrode has improved.Li/MnO@C-N electrode larger at high current density of 1000mAg-1 under 900 cycles, 679mAh can maintain the specific capacity of g-1. The excellent electrochemical performance can be attributed to nitrogen doped carbon coated one-dimensional structure, which can effectively promote the charge transfer and inhibit the volume effect.

【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM912;O611.2

【共引文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 馬璨;呂迎春;李泓;;鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題(VII)——正極材料[J];儲能科學(xué)與技術(shù);2014年01期

2 王海龍;;高壓LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J];廣州化工;2013年19期

3 趙晏強(qiáng);李印結(jié);吳躍偉;劉志剛;;基于文獻(xiàn)計量和關(guān)鍵詞的鋰離子電池正極材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報;2014年03期

4 李彥樸;韓恩山;朱令之;趙玲;;Li_(1.17)Mn_(0.48)Ni_(0.23)Co_(0.12)O_2的合成及電化學(xué)性能[J];電池工業(yè);2013年05期

5 楊承昭;羅旭忠;張新河;;5V正極材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4表面改性的進(jìn)展[J];電池;2014年01期

6 謝玉虎;許鵬;楊續(xù)來;謝佳;;高電壓尖晶石鎳錳酸鋰材料全電池研究進(jìn)展[J];電源技術(shù);2014年03期

7 Saad Aziz;Jianqing Zhao;Carrington Cain;Ying Wang;;Nanoarchitectured LiMn_2O_4/Graphene/ZnO Composites as Electrodes for Lithium Ion Batteries[J];Journal of Materials Science & Technology;2014年05期

8 張鶴;趙紅遠(yuǎn);張崢;王偉;劉興泉;;碳納米管改性對LiMn_2O_4倍率及高溫電化學(xué)性能的影響[J];電子元件與材料;2014年05期

9 朱建新;李軍;黃慧民;陶熏;黃際偉;;核殼型鋰離子電池正極材料的研究進(jìn)展[J];化工新型材料;2013年09期

10 梅麗莎;張靜;楊曉彤;賈曉林;;微波合成LiMn_2O_4正極材料及其電化學(xué)性能的研究[J];昆明理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2013年05期

相關(guān)會議論文 前1條

1 宋植彥;謝凱;鄭春滿;;二次燒結(jié)溫度對溶膠-凝膠法制備納米LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4正極材料性能影響的研究[A];中國空間科學(xué)學(xué)會空間材料專業(yè)委員會2012學(xué)術(shù)交流會議論文（摘要）集[C];2012年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李曉偉;過渡金屬氧化物微納結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及電化學(xué)性能研究[D];山東大學(xué);2013年

2 馬平平;鋰離子電池金屬磷酸鹽復(fù)合正極材料的合成與性能研究[D];鋼鐵研究總院;2013年

3 吳賢文;功能電解液對LiMn_2O_4和LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4電化學(xué)性能改善及其機(jī)理研究[D];中南大學(xué);2013年

4 尚懷芳;鋰離子電池正極材料LiFePO_4和LiMn_2O_4的表面結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性性能研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2013年

5 夏陽;生物模板法構(gòu)筑多級多孔結(jié)構(gòu)電極材料及其儲鋰性能研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

6 劉萬民;鋰離子電池LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_2正極材料的合成、改性及儲存性能研究[D];中南大學(xué);2012年

7 沙鷗;鋰離子電池正極材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4與LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_2的制備與改性研究[D];天津大學(xué);2012年

8 蘇利偉;基于電化學(xué)催化轉(zhuǎn)化機(jī)制的鋰離子電池負(fù)極材料的制備和改性研究[D];南開大學(xué);2013年

9 徐桂良;多電子反應(yīng)電極材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控和儲鋰性能研究[D];廈門大學(xué);2014年

10 施少君;層狀氧化物鋰離子電池正極材料的制備及電化學(xué)性能研究[D];浙江大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 賈小平;LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的高分子網(wǎng)絡(luò)法制備及其電化學(xué)性能研究[D];鄭州大學(xué);2013年

2 段飛;鋰離子電池正極材料LiMn_2O_4的改性研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2013年

3 王英平;高端錳酸鋰的制備及其電化學(xué)性能研究[D];湘潭大學(xué);2012年

4 高平;LiFe_(0.6)Mn_(0.4)PO_4/C的合成及其電化學(xué)性能研究[D];湘潭大學(xué);2012年

5 曾家江;新型鋰離子正極材料的制備及改性研究[D];華南理工大學(xué);2013年

6 李靖;改性水熱法合成高性能LiFePO_4正極材料[D];蘇州大學(xué);2013年

7 趙桂英;鋰離子電池正極材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的表面修飾及其電化學(xué)性能研究[D];福建師范大學(xué);2013年

8 暢青俊;多元鋰離子電池正極材料的制備及其表面改性研究[D];河南大學(xué);2013年

9 朱文均;過渡金屬氧化物鋰離子電池負(fù)極材料的納米化構(gòu)建及電化學(xué)性能[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

10 魏啟亮;高端尖晶石錳系正極材料的合成及性能研究[D];湘潭大學(xué);2013年

，

本文編號：1443071