一维锰氧化物/碳中空纳米结构的设计、表征和电化学性能

摘要

随着能源需求的不断增长，太阳能、风能等可再生能源受到广泛的关注，因此探索具备优良性能的新型储能材料已成为当今的一个研究课题。锂离子电池，有比容量大，循环寿命长，充放电速率快等优点，在电子设备和电动汽车领域表现出巨大的潜力。电极材料是制约锂离子电池发展的关键之一，因此，设计构筑新型电极材料显得尤为重要。
　　锰氧化物，作为一种新型的锂离子电池电极材料，由于其具有高容量、低成本、环境友好等优点，受到广泛研究。然而，锰氧化物作为电极材料也存在着一些问题：（1）锰氧化物较低的电子电导和离子电导使得电极材料难以实现高倍率充放电；（2）锰氧化物在锂离子的嵌入和脱出过程中发生较大的体积膨胀与收缩，破坏电极材料结构完整性，导致较差的循环性能；（3）由于材料的体积变化，导致固态电解质膜（SEI）的反复形成与破裂，消耗大量电解液中的锂源，导致较低的库伦效率。
　　针对上述问题，本文进行了相关研究，取得以下结果：
　　（1）采用水热法、溶胶凝胶法、硬模板法等液相合成方法依次制备了一维锰氧化物纳米棒，一维锰氧化物/碳同轴纳米棒，一维锰氧化物/碳同轴中空纳米棒，拟通过碳包覆改性提高电极材料的大电流倍率性能，通过中空结构的构筑增强电极材料的循环稳定性和可逆性。通过XRD, SEM, TEM, XPS, Raman, TGA等技术对材料的形貌、结构、化学状态等进行了系统表征。
　　（2）我们将三种电极材料作为锂离子电池负极材料进行循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电等电化学性能测试。结果表明，相比于一维锰氧化物纳米棒，一维锰氧化物/碳同轴纳米棒而言，一维锰氧化物/碳同轴中空纳米棒表现出较高的放电比容量和较好的循环性能，在100 mA/g的电流密度下，首次可逆比容量可达660 mAh/g;在500 mA/g的电流密度下，循环900次后，可逆容量达到634 mAh/g，证明了本文形貌构筑的合理性。
　　（3）我们重点进行了材料结构与性能的相关性研究，该优异的电化学性能归因于：较大的比表面积增大了材料与电解液的接触面积，提供了更多的反应位点；碳包覆有效的提高了电子电导率，加快了电化学反应速率；中空结构有效地缓解了材料在循环过程中的体积变化，保持了整体结构的完整性，进而保持了SEI的稳定性。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2一维纳米材料

1.3中空结构纳米材料

1.4锰氧化物纳米材料

1.5本课题研究内容和意义

第2章 一维锰氧化物/碳同轴中空纳米材料的制备

2.1 实验原材料与仪器

2.2一维锰氧化物纳米棒的制备

2.3一维锰氧化物/碳同轴纳米棒的制备

2.4一维锰氧化物/碳同轴中空纳米棒的制备

2.5合成参数对产物的影响分析

2.6 本章小结

第3章 一维锰氧化物/碳同轴中空纳米材料的表征

3.1结构与物相表征方法

3.2 形貌分析

3.3 物相结构分析

3.4 碳材料化学状态分析

3.5 本章小结

第4章 一维锰氧化物/碳同轴纳米材料的电化学性能

4.1锂离子电池的组装流程

4.2电化学性能测试方法

4.3 电化学性能测试

4.4结构与性能相关性研究

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录1 硕士期间已发表和即将发表的论文

附录2 硕士期间已申请的专利

附录3 硕士期间参加科研项目情况