铁钴锰金属氧化物纳米材料的合成及电化学性能研究

摘要

随着能源危机和环境污染问题日益明显，开发绿色可再生的新能源已经成为当今最热门的主题之一。而锂离子电池和超级电容器由于它们具有工作电压高、比容量高、功率密度大、循环使用寿命长、自放电率小和无污染等优点，被作为了最重要的新型储能设备之一。由于锂离子电池和超级电容器的实际应用在很大程度上取决于其电极材料，因此设计并合成出安全可靠，低成本的，性能优异的电极材料成为了学术和工艺两个方面的巨大挑战。与传统的碳基材料相比，过渡金属氧化物纳米材料作为电极材料为提高电极材料的可逆容量和功率密度等提供了很多的可能性。而金属氧化物纳米材料的性能很大程度上取决于其结构特点，比如材料的形貌、尺寸和结构稳定性等。因此控制合成形貌和尺寸统一的，结构稳定的纳米材料能在一定程度上改善电极材料的电化学性能。
　　本文主要通过静电纺丝法和水热法合成形貌尺寸可控的，结构稳定的金属氧化物纳米材料作为电极材料，从而实现锂离子电池和超级电容性能的提高。主要内容概括如下:
　　(1)通过静电纺丝法合成CoFe2O4/C纳米纤维阵列，利用了XRD、SEM和TEM等技术对电极材料的结构和微观形貌进行了表征。表征结果显示合成的CoFe2O4/C材料是具有网状结构的实心纳米纤维，其中纤维的直径在50-100nm之间。用循环伏安和恒流充放电等电化学测试方法对其电容性能进行研究。结果表明，所合成的CoFe2O4/C纳米纤维电极表现出优良的电化学性能，其单电极初始比电容量达0.82Fcm-2，4000个循环后的放电容量仍保持在初始容量的82％左右。研究表明CoFe2O4/C纳米纤维是一种比较有前景的电化学电容器电极材料。
　　(2)将通过静电纺丝法制备出的CoFe2O4/C纳米纤维作为负极材料组装成锂离子电池进行性能测试。通过循环伏安曲线、充放电性能测试、循环性能测试及倍率性能测试等对其电化学性能作出分析。实验结果表明，在电流密度为100mAg-1，电压窗口为0.01V-3V的条件下循环测试了100次。其中，前30个循环的循环性能是比较稳定的，其库伦效率也接近100％，其中首次放电比容量大约为973mAhg-1。研究表明CoFe2O4/C纳米纤维是一种具有一定潜在前景的锂离子电池负极材料。
　　(3)通过静电纺丝法结合水热法合成CoFe2O4/MnO2/C纳米管阵列，利用了XRD、SEM和TEM等技术对电极材料的结构和微观形貌进行了表征。通过循环伏安曲线、充放电性能测试、循环性能测试及倍率性能测试等对其锂离子电池性能作出分析。实验结果表明，在100mAg-1的电流密度下，CoFe2O4/MnO2/C纳米管表现出一个高达1580.6mAhg-1的初始容量和一个稳定的循环性能（250个循环后仍具有713.6mAhg-1的可逆容量）。通过对材料倍率性能的测试，我们发现铁酸钴纳米纤维在经过大电流充放电后，其充放电恢复能力是比较强的。相比CoFe2O4电极，CoFe2O4/MnO2/C电极具有更好的循环性能和倍率性能。其增强的电化学性能主要归因于稳定的网状结构，碳缓冲层的存在，高的活性表面积以及MnO2的高理论容量。另外，MnO2纳米片作为保护层，在进行电化学反应时维持了CoFe2O4的结构完整性。研究表明CoFe2O4/MnO2/C材料是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米材料简介

1．2．1 纳米材料的分类

1．2．2 纳米材料的特性

1．2．3 纳米材料的合成方法

1．3 金属氧化物纳米材料在超级电容器中的应用

1．3．1 超级电容器的简介

1．3．2 超级电容器的主要电极材料

1．3．3 金属氧化物作为超级电容器电极材料的优缺点及改进

1．4 金属氧化物纳米材料在锂离子电池中的应用

1．4．1 锂离子电池的简介

1．4．2 作为锂离子电池负极材料的金属氧化物纳米材料存在的优缺点

1．4．3 金属氧化物纳米材料作为锂离子电极材料的改进

1．5 本论文的选题依据及研究内容

第2章 铁酸钴／碳纳米纤维的制备及电容性能的研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂和仪器

2．2．2 铁酸钴／碳纳米纤维的制备

2．2．3 铁酸钴／碳纳米纤维的表征

2．2．4 铁酸钴／碳纳米纤维的电化学电容性能测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 铁酸钴／碳纳米纤维的结构和形貌分析

2．3．2 铁酸钴／碳纳米纤维的循环伏安性能分析

2．3．3 铁酸钴／碳纳米纤维的充放电性能分析

2．3．4 铁酸钴／碳纳米纤维的循环性能分析

2．3．5 铁酸钴／碳纳米纤维的阻抗性能分析

2．4 本章小结

第3章 铁酸钴／碳纳米纤维的锂离子电池性能的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 铁酸钴／碳纳米纤维的合成

3．2．3 铁酸钴／碳纳米纤维的锂电性能测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 铁酸钴／碳纳米纤维的循环伏安性能分析

3．3．2 铁酸钴／碳纳米纤维的充放电性能分析

3．3．3 铁酸钴／碳纳米纤维的循环性能分析

3．3．4 铁酸钴／碳纳米纤维的倍率性能分析

3．4 本章小结

第4章 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的制备及锂离子电池性能的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与仪器

4．2．2 铁酸钻／二氧化锰／碳纳米管的合成

4．2．3 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的表征

4．2．4 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的锂电性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的X射线衍射(XRD)和能谱(EDS)分析

4．3．2 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的SEM和TEM图分析

4．3．3 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的循环伏安分析

4．3．4 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的充放电性能分析

4．3．5 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的循环性能分析

4．3．6 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的倍率性能分析

4．3．7 铁酸钴／二氧化锰／碳纳米管的阻抗性能分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢