高容量钴氧化物锂离子电池负极材料的制备及性能研究

摘要

钴氧化物（CoO、Co3O4）作为锂离子电池负极材料，具有较高的理论比容量（分别为716和829mAhg-1），成为取代传统碳素类负极材料的首选。然而，钴氧化物电极材料也存在电子电导率比较低、循环性能比较差的问题。通过添加导电相可以提高电子电导率，通过构建不同形状的纳米结构可以提高材料的循环性能。本文主要是采用水热法制备了多孔纳米纺锤状CoO/石墨烯负极材料、有铜基底和无铜基底的镍取代Co3O4（三元的NiCo2O4）纳米阵列三种负极材料。利用SEM、TEM表征材料的表面形貌，XRD分析材料的微观结构，电池测试系统研究材料循环性能及充放电性能。主要研究内容如下：
　　第一，通过水热法和退火处理制备CoO/石墨烯负极材料。通过XRD和SEM表明，这种负极材料具有单一的CoO的衍射峰，并且呈现出统一的纳米纺锤状。通过充放电测试结果显示，这种电极材料具有较高的初始容量，电流密度为0.1C时（放电或者充电的时间为10小时）的容量为1092mAhg-1，同时具有良好的循环性能，20个循环以后，容量仍能保持在700mAhg-1。
　　第二，在铜基底上合成三元的NiCo2O4负极材料。实验结果表明，三元的NiCo2O4一维纳米棒整齐的排列在铜基底上。掺杂的镍元素取代了Co3O4中的部分钴元素，提高了电子电导率。因此三元的NiCo2O4纳米棒状阵列具有较高的容量，良好的循环性能和倍率性能。当电流密度为0.5C时充放电循环30次以后，可逆容量保持在830mAhg-1，当电流密度为1C、2C、6C、50C、110C时容量分别为787、695、512、254、127mAhg-1。
　　第三，通过自组装原理直接合成三元的NiCo2O4负极材料。由于无基底存在，NiCo2O4自组装成类似自然界中的蒲公英状结构，纳米棒从中间向外辐射成纳米微球。电化学性能测试表明，这种负极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性。当电流密度为0.1C时，首次不可逆容量为2317mAhg-1，经过65个循环的大倍率充放电以后，将电流密度降低到原来的0.1C，容量仍能保持在1132mAhg-1。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池简介

1.3锂离子电池电极材料的研究现状

1.4 本课题研究的背景、目的及主要意义

第2章 多孔纳米CoO/石墨烯负极材料

2.1 引言

2.2实验步骤

2.3实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 NiCo2O4纳米阵列薄膜负极材料

3.1引言

3.2实验步骤

3.3实验结果与讨论

3.4本章小结

第4章 NiCo2O4纳米微球负极材料

4.1 引言

4.2 实验步骤

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文