几种三元金属氧化物的形貌设计及电化学性能研究

摘要

锂离子电池作为重要的能源储能及供给装置，因具有循环寿命长、工作电压高、能量密度高、质轻、环境友好等优点，在混合/纯电动汽车及移动通讯等便携电子设备中得到了广泛应用。锂离子电池的电化学性能主要取决于电极材料的选择以及结构设计。因为纳米结构材料独特的结构所具有的优势:反应活性强、有利于电荷传导和物质传输、避免了材料的坍塌，可以有效地提升锂离子电池的性能，故当前人们比较关注于特殊结构的纳米材料的制备。三元金属氧化物纳米材料具有较好的电化学性能、环保、低成本等优点，成为了一种非常有前景的电极材料。因此，本文主要研究了多孔ZnMn2O4橄榄球、多孔CoMn2O4微球、花状ZnMn2O4中空管的制备及电化学性能，主要内容如下:
　　(1)通过水热法及煅烧过程首次合成了泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球。ZnMn2O4橄榄球是由约25nm厚的纳米片相互连接组成的，本文也提出了生长机理。此外，泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的独特结构具有优异的电化学性能，高的比容量、好的循环稳定性和倍率性能。在电流密度为100mA·g-1，ZnMn2O4橄榄球的首次充放电容量分别是1584mA·h·g-1和1114mA·h·g-1，循环100次后，可逆容量仍保持614mA·h·g-1。这些结果表明泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球在锂离子电池应用中有着巨大的潜力。此外，该方法可能为合成一系列多孔三元尖晶石氧化物橄榄球提供了一条新的途径。
　　(2)针对锂离子电池的体积变化(LIBs)，我们通过水热法及随后的热处理合成了亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球。微球的大小约为2.2μn，亚纳米颗粒约为17nm。亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球有足够的空间可以确保结构的完整性。作为锂离子电池负极材料，CoMn2O4微球电极材料在100mA·g-1的电流密度下经过500次循环后，保持了772mA·h·g-1的稳定的比容量。这种结构应用到锂离子电池时，有助于提高LIBs的循环性能和倍率性能，可以缩短锂离子和电子的传输路径、增加电解质与活性物质的接触面积，以及在循环过程中有额外的空间缓减体积变化。由于储能性能的提高，作为电化学储能装置具有广阔的应用前景。
　　(3)通过水热法及煅烧处理首次合成了花状ZnMn2O4中空管，对组成、形貌和结构进行表征，并研究花状ZnMn2O4中空管作为电极材料的电化学性能。结果表明，经煅烧处理后得到约为8μm孔道结构的花状中空管;在电流密度为400mA·g-1，首次充放电容量为2152/1263mA·h·g-1，循环300圈后，容量仍可达515mA·h·g-1，库伦效率约为99％，说明了较好的循环性能;不同电流密度下的倍率性能表明了其结构的稳定性。因其独特的结构表现出了较好的电化学性能。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2锂离子电池概述

1．2．1锂离子电池发展简史

1．2．2锂离子电池的结构及工作原理

1．2．3锂离子电池的特点

1．3锂离子电池负极材料概述

1．3．1锂离子电池对负极材料的要求

1．3．2锂离子电池负极材料的发展

1．3．3纳米结构构筑和复合结构构筑

1．3．4纳米材料的制备的技术

1．4本课题的研究内容

2泡沫镍基底上分层多孔 ZnMn2O4橄榄球的制备与电化学性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验药品及实验仪器

2．2．2泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的制备

2．2．3产品的表征与电化学性能测试

2．3结果与讨论

2．3．2泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球前驱体的热重-差热分析

2．3．3泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的形貌结构分析

2．3．4泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的比表面积及孔径分析

2．3．5泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的形成机理

2．3．6泡沫镍上生长的分层多孔ZnMn2O4橄榄球的电化学性能分析

2．4本章小结

3亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验药品及实验仪器

3．2．2亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球的制备

3．2．3产品的表征与电化学性靛测试

3．3结果与讨论

3．3．1亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球的物相分析

3．3．2亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球前驱体的热重-差热分析

3．3．3亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球的形貌结构分析

3．3．4亚纳米颗粒组成的分层多孔 CoMn2O4微球的比表面积及孔径分析

3．3．5亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球的形成机理

3．3．6亚纳米颗粒组成的分层多孔CoMn2O4微球的电化学性能分析

3．4本章小结

4花状ZnMn2O4中空管的制备及电化学性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1实验药品及实验仪器

4．2．2花状ZnMn2O4中空管的制备

4．2．3产品的表征与电化学性能测试

4．3结果与讨论

4．3．2花状ZnMn2O4中空管前驱体的热重-差热分析

4．3．3花状ZnMn2O4中空管的形貌结构分析

4．3．4花状ZnMn2O4中空管的比表面积及子L径分布

4．3．5花状ZnMn2O4中空管的形成机理

4．3．6花状ZnMn2O4中空管的电化学性能分析

4．4本章小结

5结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢