MnO纳米棒/碳三维分级多孔网络的构筑及电化学性能

摘要

过渡金属氧化物近些年来一直备受电化学领域科研工作者们的关注。基于转换反应机制的氧化物，用于二次电池负极时，具有以下这些优点：理论克容量比商用石墨材料高，更安全的充电电位，相对密度一般都较大。在这类氧化物中，一氧化锰表现出非常出色的潜力，具有安全性好、锰矿储量丰富、克容量较高和环境破坏小的优点。尤为重要的是，具有相对其他金属氧化物都低的充电电位（~1.2 V），在用于全电池时能保证较高的工作电压。然而，与大多数金属氧化物一样，也有一些亟需解决的缺陷：电子导电性差，导致可逆克容量很低、倍率性能很差；工作过程中，活性物质体积膨胀/收缩很大，容易发生团聚、粉化现象，导致固体电解质膜不稳定，因而容量衰减很快。对此，本文从改善电子电导率和抑制体积应变两个方面入手，构造和制备了 MnO/碳三维多孔网络结构以提高其性能。同时，采用相应的测试手段表征了其结构、形貌及电化学性能，讨论了其相关电化学行为。本文的主要研究内容如下：
　　（1）以水热法制备的二氧化锰纳米棒为前躯体，利用原位共聚合的水相合成法得到了二氧化锰/聚苯胺复合物，煅烧得到MnO纳米棒/氮掺杂碳复合的三维分级多孔导电网络结构（MnO/N-C）。与其他三维分级结构不同的是，MnO纳米棒被碳层均匀包覆的同时还被多孔碳网络包裹。形成的新型三维分级多孔结构具有三维电子导电网络，多孔网络结构和一氧化锰纳米棒的包覆层对活性物质的体积应变和团聚都起到了抑制的作用。
　　（2）合成的三维分级MnO纳米棒/碳多孔网络具有非常优异的电化学性能。在50 mA g-1的电流密度下，首圈充电比容量高达883.8 mAh g-1，其首圈库伦效率也达到73.7％，循环5圈后其容量趋于恒定，仍有798 mAh g-1，高于其理论容量（756 mAh g-1）。其倍率性能也非常出色，在2000 mA g-1的电流密度下仍有425 mAh g-1，高于商用石墨负极的理论容量(～372 mAh g-1)。更值得关注的是，在4000 mA g-1的电流密度下，其首圈充电比容量有281.1 mAh g-1，循环3000圈后仍有267 mAh g-1，容量保持率高达95%。
　　（3）通过原位XRD表征了充放电过程中的MnO相转变过程，探讨其电化学性能与MnO相转变的关系；通过对不同充放电状态下的材料进行XPS表征， 探讨了氮掺杂对储锂性能的影响；通过对循环前后的样品进行 SEM、TEM表征，探讨了三维分级多孔网络结构对性能的作用；基于上述结果，讨论了氮掺杂碳网络与MnO纳米棒之间的协同作用与性能的关系。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池电极材料研究进展

1.2.1锂离子电池概述

1.2.2 锂离子电池正极材料研究现状

1.2.3锂离子电池负极材料研究现状

1.3纳米材料及其电化学应用

1.3.1纳米材料

1.3.2 纳米材料在锂离子电池中的应用

1.4 MnO及其在锂离子电池中的应用

1.4.1基于转化反应的金属氧化物

1.4.2 MnO及其研究现状

1.5 本论文的研究目的、内容及意义

第2章 实验原料/仪器及测试方法

2.1 实验原料及实验仪器

2.1.1 实验原料及化学试剂

2.1.2 实验仪器

2.1.3 材料测试/表征方法

2.1.4 电化学测试/表征方法

第3章 三维分级多孔网络的构筑及电化学性能

3.1 引言

3.2 实验合成

3.3 结构设计与表征

3.3.1三维分级多孔网络的构筑机理

3.3.2三维分级多孔网络的形貌与物相

3.3.3三维分级多孔网络的结构表征

3.4电化学表征与研究

3.4.1电化学性能表征

3.4.2 电化学行为分析

3.4.3 氮掺杂对电化学性能的影响

3.4.4结构完整性分析

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间研究成果