过渡金属化合物与碳纳米纤维复合材料的合成及其电化学性能研究

摘要

锂离子电池凭借其能量密度较高、循环性能优良、使用寿命较长、安全环保、无记忆效应等特点，成为新能源材料的研究热点，目前已被广泛应用于智能手机、笔记本电脑等电子产品行业以及动力汽车、混合动力汽车行业。然而，随着人们对锂离子电池需求量的日益增加，开发出能量密度更高、循环性能更好、使用寿命更长的新型锂离子电池已经成为新能源领域最具有价值的研究之一。
　　负极材料作为锂离子电池的核心材料之一，是决定锂离子电池储锂性能的关键材料。目前商业上通常采用循环稳定性优良的碳材料作为负极材料，但是，碳材料理论容量较低，仅372 mAh g-1，其较低的储锂性能并不能满足人类对锂离子电池日益增长的需求。近十年，过渡金属化合物由于其较高的理论容量受到国内外研究人员的广泛关注，然而，这类材料受SEI膜和体积效应限制，循环稳定性能较差，同样无法满足人类的需求。
　　本文综合考虑碳材料及过渡金属化合物材料的优缺点，结合前人经验，首次提出将碳纳米纤维与过渡金属化合物复合，采用不同方法制备出过渡金属化合物/碳纳米纤维柔性膜，打破传统拌浆工艺，简化电池组装流程，实现了负极材料可逆容量与循环稳定性能的双重突破。
　　本论文具体内容如下：
　　（1）通过静电纺丝技术制备碳纳米纤维（CNF），结果表明：该方法合成的CNF表面光滑，呈现网状结构，循环稳定性能优异，可逆容量偏低，在200mA g-1的电流密度下循环150圈以后，材料比容量为285.6 mAh g-1。
　　（2）以CNF为基底、硝酸钴为金属源、尿素为配体、去离子水和乙醇为溶剂，采用冷凝回流法合成了CoO/CNF复合材料，结果表明：在CoO/CNF复合材料中，CoO纳米片团聚成柳絮状CoO微米球镶嵌在CNF纤维中，表现出优秀的电化学性能，在200 mA g-1的电流密度下循环150圈以后，材料比容量为579.7 mAh g-1，其中，CoO为整个材料提供的比容量高达774.1 mAh g-1。
　　（3）以CNF为基底、氯化铁为金属源、尿素为配体、抗坏血酸为还原剂、去离子水为溶剂，采用传统水热法合成了FeCO3/CNF复合材料，结果表明：该方法合成的FeCO3/CNF复合材料呈现蜂窝状结构，表现出优秀的电化学性能，在200 mA g-1的电流密度下循环200圈以后，材料比容量为546.2 mAh g-1，其中， FeCO3为整个材料提供的比容量高达919.7 mAh g-1。
　　（4）以CNF为基底、氯化铁为金属源、尿素为配体、乙醇为溶剂，采用微波水热法合成了Fe2O3/CNF复合材料，结果表明：该方法合成的Fe2O3/CNF复合材料呈现蜂窝状结构，表现出优秀的电化学性能，在200 mA g-1的电流密度下循环150圈以后，材料比容量为673.8 mAh g-1，其中，Fe2O3为整个材料提供的比容量高达926.2 mAh g-1。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池电极材料研究进展

1.4 本论文的研究内容

第二章 冷却回流法制备CoO/CNF复合材料及其电化学性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 材料的表征

2.4电化学性能测试

2.5 本章小结

第三章 传统水热法制备FeCO3/CNF复合材料及其电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 材料的表征

3.4电化学性能测试

3.5 本章小结

第四章 微波水热法制备Fe2O3/CNF复合材料及其电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 材料的表征

4.4 电化学性能测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

附录I 实验试剂

附录II 实验仪器