本文關(guān)鍵詞：含錳金屬氧化物介孔負(fù)極材料的制備和鋰電性能研究

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【摘要】：鋰離子電池(LIBs)具有能量密度高、循環(huán)周期長(zhǎng)、自放電性低及便攜性好等優(yōu)點(diǎn),可以作為能源高效儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換的理想載體。隨著電動(dòng)汽車(chē)等高能耗設(shè)備的發(fā)展,目前商業(yè)化鋰離子電池的容量已經(jīng)不能充分滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。石墨作為商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料,其理論的電化學(xué)容量只有300-350 mAhg-1。因此,開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)高比容量、安全穩(wěn)定的負(fù)極材料將是未來(lái)鋰離子電池發(fā)展的必然趨勢(shì)。三元過(guò)渡金屬氧化物由于其出色的理論比容量、低廉的成本和豐富的儲(chǔ)量而引起了廣泛的研究興趣,被視為新一代鋰離子電池的理想負(fù)極材料。然而,在充放電過(guò)程中,金屬氧化物由于體積變化大、電導(dǎo)率低、循環(huán)性能差等不足,限制了其在鋰離子電池負(fù)極材料方面的發(fā)展與應(yīng)用。納米多孔材料具有獨(dú)特的屬性,有利于改善金屬氧化物的充放電特性,不僅可以充分開(kāi)發(fā)材料的理論容量,而且為解決上述問(wèn)題提供了可行的途徑。本文通過(guò)探索簡(jiǎn)單可控的實(shí)驗(yàn)方法,合成了介孔結(jié)構(gòu)的三元金屬氧化物納米材料,實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料結(jié)構(gòu)的控制,研究了孔結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、比表面與組分摻雜等對(duì)電池的比容量和循環(huán)性能的影響,并探討了相關(guān)的理論機(jī)制。主要研究結(jié)果如下：1.采用簡(jiǎn)易的水熱方法合成了MoO3、MnMoO4·0.9H2O及MnMoO4納米棒/納米立方體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,反應(yīng)溫度和添加劑對(duì)樣品的維度、尺寸和生長(zhǎng)機(jī)制有著重要的影響。退火前為均勻的MnMoO4·nH2O(JCPDS No.50-1286)納米棒和納米立方體；退火后,轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娲植诘膯涡毕郙nMoO4(JCPDS No.50-1287)介孔結(jié)構(gòu),但是形貌基本保持不變。電化學(xué)性能分析結(jié)果顯示,與純M003電極相比,三元MnMoO4電極表現(xiàn)出較高的比容量和優(yōu)異的倍率性能。尤其是MnMoO4·0.9H2O納米立方體電極,在100 mAg-1的電流密度下循環(huán)60次后,容量保持在497 mAhg-1,庫(kù)倫效率高達(dá)99.4%；在不同的電流密度下循環(huán)60次后回到初始的50 mAg-1時(shí),保持的可逆容量有770 mAh g-1,大約是純Mo03電極的3倍。三元MnMoO4電化學(xué)性能的改善主要?dú)w因于材料良好的導(dǎo)電性,提高了離子和電荷的轉(zhuǎn)移速率；大的比表面積和孔體積提供較多的Li+儲(chǔ)存活性點(diǎn),緩沖循環(huán)過(guò)程中引起的體積變化,從而提高了材料的可逆比容量和循環(huán)性能。2.通過(guò)溫和的水熱共沉淀過(guò)程和后退火方法,調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程中乙二醇和水的溶劑比例,實(shí)現(xiàn)了對(duì)樣品形貌的控制和調(diào)節(jié),分別合成了介孔ZnMn204尖晶石納米花、納米球和納米片結(jié)構(gòu)。退火前的ZnCO3-MnCO3復(fù)合材料作為前驅(qū)體；退火后得到了四方相ZnMn2O4尖晶石結(jié)構(gòu)(I4I/amd, JCPDS No.24-1133); BET結(jié)果顯示,ZnMn2O4是大比表面積的介孔結(jié)構(gòu),有利于增加電極/電解液的接觸面積。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明,ZnMn2O4電極具有較高的比容量和優(yōu)異的倍率性能。ZnMn2O4納米花結(jié)構(gòu)在100 mA g-1的電流密度下循環(huán)50次后,放電容量1724mAhg-1,容量保持率為初次放電的81.6%；且在不同的電流密度下循環(huán)80次后回到初始的200 mA g-1時(shí),保持的可逆容量為1007 mAh g-1這主要是因?yàn)閆nMn2O4尖晶石結(jié)構(gòu)優(yōu)異的特性、納米材料豐富的表界面效應(yīng)和大比表面的多級(jí)自組裝結(jié)構(gòu),不僅提高了材料的儲(chǔ)鋰容量,縮短了離子的擴(kuò)散路徑,更有利于保持材料在循環(huán)過(guò)程中的完整性。3.采用硬模板方法合成了ZnMmO4納米晶介孔材料。分別采用介孔SiO2為模板的兩步水熱法,以及硅源和鋅、錳源同時(shí)加入的一步水浴法,得到了ZnMn2O4納米晶介孔結(jié)構(gòu)。兩步法和一步法得到的都是四方相ZnMn2O4納米晶結(jié)構(gòu),粒徑平均尺寸分別為9.8和18.4 nm；顆粒之間相互堆積、連接產(chǎn)生介孔結(jié)構(gòu),孔徑尺寸分別為7.46和8.96nm。循環(huán)伏安和恒流充放電測(cè)試結(jié)果表明,兩步法合成的ZnMn2O4納米晶電極具有較高的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性,在200 mA g-1的電流密度下循環(huán)100次后,放充電容量分別為552和549 mAh g-1,庫(kù)倫效率達(dá)99.4%。ZnMn2O4良好的循環(huán)穩(wěn)定性歸因于納米顆粒之間豐富的介孔孔道,為嵌鋰／脫鋰過(guò)程中引起的體積變化提供了足夠的緩沖空間,避免了電極材料的粉化。
【關(guān)鍵詞】：鉬酸錳 錳酸鋅 尖晶石 介孔結(jié)構(gòu) 納米材料 鋰離子電池
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM912
【目錄】：

• 摘要9-11
• Abstract11-14
• 第一章 緒論14-35
• 1.1 前言14
• 1.2 鋰離子電池的概況14-18
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展14-15
• 1.2.2 鋰離子電池的工作原理15-17
• 1.2.3 納米電極材料17-18
• 1.3 鋰離子電池負(fù)極材料18-34
• 1.3.1 納米碳基材料19-21
• 1.3.2 納米合金材料21-24
• 1.3.3 二元過(guò)渡金屬氧化物24-29
• 1.3.4 三元過(guò)渡金屬氧化物29-34
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容34-35
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法35-39
• 2.1 材料制備35-36
• 2.2 材料表征36-37
• 2.2.1 X射線衍射分析(XRD)36
• 2.2.2 掃描電子顯微分析(SEM)36
• 2.2.3 透射電子顯微分析(TEM)36-37
• 2.2.4 X射線光電子能譜分析(XPS)37
• 2.2.5 N_2吸脫附分析(BET)37
• 2.2.6 熱重分析(TGA)37
• 2.3 電化學(xué)性能測(cè)試37-39
• 2.3.1 電極的制備與電池組裝37-38
• 2.3.2 循環(huán)伏安測(cè)試(CV)38
• 2.3.3 恒流充放電測(cè)試38
• 2.3.4 電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)38-39
• 第三章 MnMoO_4多維納米結(jié)構(gòu)的合成及儲(chǔ)鋰性能的探究39-54
• 3.1 前言39-40
• 3.2 樣品的制備40-41
• 3.3 結(jié)構(gòu)與物相分析41-47
• 3.4 電化學(xué)性能測(cè)試47-52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 第四章 ZnMn_2O_4納米多孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控及鋰電性能探究54-70
• 4.1 前言54-55
• 4.2 樣品的制備55
• 4.3 結(jié)構(gòu)與物相分析55-64
• 4.4 電化學(xué)性能測(cè)試64-69
• 4.5 本章小結(jié)69-70
• 第五章 ZnMn_2O_4納米晶的合成及電化學(xué)性能探究70-82
• 5.1 前言70-71
• 5.2 樣品的制備71-72
• 5.3 結(jié)構(gòu)與物相分析72-77
• 5.4 電化學(xué)性能測(cè)試77-81
• 5.5 本章小結(jié)81-82
• 第六章 結(jié)論82-84
• 參考文獻(xiàn)84-94
• 致謝94-95
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文95
• 攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目95
• 攻讀碩士學(xué)位期間獲獎(jiǎng)情況95-96
• 附件96

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2 櫖恅i，

本文編號(hào)：675963