锰氧化物/三维碳复合电极材料的制备及其电化学性能研究

摘要

随着新能源汽车以及电子器材的迅速发展，锂离子电池的需求日益增加。研究出更高性能的锂离子电池(LIBs)是急需完成的任务，电极材料一直是LIBs发展最重要的制约因素。因此，研究者们将拥有更高的理论比容量(700～900mAh·g-1)以及较好的功率和比能量的过渡金属氧化物(TMOs)作为新型LIBs最有潜力的负极材料。诸多的过渡金属氧化物中，锰氧化物的优点明显，包括理论比容量高(755mAh·g-1)、电压滞后小(≤0.8V)、电动势低(1.032V(vs Li/Li+))、密度高(5.43g·cm-3)、环境友好以及资源丰富等。但是，与许多过渡金属氧化物的性质一样，锰氧化物同样具有相当明显的缺点，包括自身固有的电导率低以及在充放电过程中的体积膨胀巨大等。这些缺点会导致材料的倍率性能低以及材料的开裂与微观结构完整性的破坏。在其作为电极材料时，表现为循环性能不稳定。因此，本论文研究的内容就是通过三维碳材料的复合，一方面改善材料的导电性，另一方面通过碳材料的束缚作用，抑制充放电过程中的体积膨胀。具体的研究工作包括以下两个方面:
　　石墨烯为原料用微波处理方法制备负载二氧化锰的氧化石墨烯，通过原位聚合在表面生长聚苯胺，最后通过热处理过程将二氧化锰还原为氧化锰，制备了石墨烯/氧化锰/碳(IGR/MnO/C)材料。此方法制备的复合材料金属氧化物颗粒被碳层所包覆，不仅增加了材料的导电性，还维持了结构的稳定。随着热处理温度的升高，材料的导电性增加，但是金属氧化物颗粒增大，因此材料结构稳定性下降。在800℃下热处理的IGR/MnO/C材料在电流密度为100mA·g-1时，容量为1055mAh·g-1;当电流密度增加到2A·g-1时，容量仍保持547mAh·g-1。同时，在500mA·g-1的电流密度下充放电循环达到500次时，容量仍保持902mAh·g-1，保持率为112％，体现了良好的电化学性能。
　　二氧化硅为模板，油酸锰为原材料通过高温热处理一步碳化还原方法合成锰氧化物/多孔碳(SMOH/PC)复合电极材料，模板法提供的多孔结构不仅为离子和电子的运输提供了快速通道，还起着增加比表面积提供更多的活性位点，使复合材料在比容量和稳定性等方面均有提高。研究结果表明:在电流密度为100mA·g-1时，SMOH/PC的容量为1137mAh·g-1;当电流密度增加到5A·g-1时，容量仍能保持348mAh·g-1。同时，当在500mA·g-1的电流密度下充放电循环达到600次时，容量仍保持710mAh·g-1，保持率为84％，代表着材料良好的结构稳定性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2锂离子电池概述

1．2．1锂离子电池特点

1．2．2锂离子电池储能机理

1．3锂离子电池负极材料研究进展

1．3．1石墨烯材料

1．3．2过渡金属氧化物材料

1．3．3氧化锰材料

1．4本论文的选题意义及研究内容

1．4．1本论文的研究目的与意义

1．4．2本论文的主要研究内容

第2章实验材料及研究方法

2．1引言

2．2实验试剂及设备

2．2．1实验试剂与原料

2．2．2实验仪器及设备

2．3材料表征及电化学性能测试

2．3．1材料的表征测试

2．3．2材料的电化学性能测试

2．3本章小结

第3章石墨烯／氧化锰／碳(IGR／MnO／C)复合材料的制备与性能研究

3．1引言

3．2材料的制备

3．2．1氧化石墨烯带(IGR)的制备

3．2．2氧化锰(MnO)的制备

3．2．3石墨烯带／氧化锰(IGR／MnO)的制备

3．2．4石墨烯带／氧化锰／碳(IGR／MnO／C)的制备

3．3结果与讨论

3．3．1材料的微观形貌与结构分析

3．3．2材料的电化学性能研究

3．3．3不同热处理温度对材料微观结构和电化学性能的影响

3．3．4不同MnO负载量对材料微观结构和电化学性能的影响

3．4本章小结

第4章水钠锰矿／多孔碳(SMOH／PC)复合材料的制备与性能研究

4．1引言

4．2材料的制备

4．2．1油酸锰的制备

4．3．1材料的微观形貌与结构分析

4．3．2材料的电化学性能研究

4．3．3不同热处理温度对材料微观结构和电化学性能的影响

4．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢