层状二氧化锰纳米材料的电容性能和嵌锂行为研究

摘要

二氧化锰（MnO2）是一种传统的电极活性材料，有着相当广泛的应用。纳米片是一种二维层状材料，许多无机层状化合物可通过剥离的手段来获得单分散的纳米片。利用MnO2与纳米材料所具有的独特优势，当电极活性材料 MnO2纳米化后，材料会具有较高的比表面积和短的离子、电子运输/扩散路径，因此电化学性能就会得到显著提高。本论文将MnO2和纳米材料的优点所结合，对所制备的纳米二氧化锰进行形貌特征、晶体结构和孔结构的分析，并采用循环伏安法、恒电流充放电法等电化学研究方法探讨了材料的电化学特性。 本文首先由水热法制备了 Na+插层型 MnO2材料(Na-MnO2)，通过对层间的离子交换对材料进行了剥离，得到了 MnO2纳米片悬浮液。MnO2悬浮液分两种方式进行了重组，一是将其冷冻干燥得到了 MnO2重组物(FD-MnO2)，二是将其再次引入 Na+得到重组 Na+插层型纳米 MnO2材料(rNa-MnO2)。经过电化学测试结果表明：在1 mol/L的Na2SO4水溶液，电流密度为0.5 A/g时，FD-MnO2和rNa-MnO2的质量比电容分别高达134 F/g和131 F/g，两者的电容性能均远远高于未剥离时的前驱物，并表现出良好的循环稳定性。说明纳米化的层状无机材料会在电化学储能方面有着更为广泛的应用。 其次，通过自下而上的方法在溶液中直接合成了MnO2纳米片，结合上文的重组方案，将MnO2纳米片与Li+重组得到了Li+插层的Li-MnO2材料，ICP结果表明Li与Mn的原子比为0.6:1。通过对材料的结构分析表明：Li-MnO2具有错层堆积纳米多孔结构，其颗粒成片状分布，侧面尺寸约为0.5~1μm。MnO2纳米片在材料的表面提供了良好的支撑作用。将Li-MnO2材料作为锂离子电池正极材料进行了充放电循环测试，在电压范围2.5~4.3 V，电流密度50 mA/g的情况下，材料的首周放电比容量高达188.8 mAh/g，循环100周之后放电比容量达到90.6 mAh/g。电流密度增大至1 A/g时，材料的放电比容量依然维持在84.3 mAh/g，表现了优良的倍率性能和负荷特性。Li-MnO2材料的合成也为新型的正极材料提供了新的思路，具有纳米结构的材料通过嵌锂的方式有望得到高性能的锂离子电池正极材料，并通过嵌入离子和纳米结构的不同延伸到其他储能体系中。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2超级电容器简介

1.3锂离子电池简介

1.4二氧化锰电极材料

1.5论文选题和研究内容

第二章 实验方法

2.1实验试剂和仪器

2.2材料的物理性能表征

2.3电化学性能测试

第三章 层状二氧化锰的剥离重组及其电容性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3层状二氧化锰材料及其纳米片的结构表征

3.4电化学性能测试

3.5本章小结

第四章 二氧化锰纳米片的嵌锂及其在锂离子电池正极材料的应用

4.1引言

4.2实验部分

4.3 Li-MnO2材料的结构表征

4.4 Li-MnO2材料的电化学性能分析

4.5本章小结

第五章 全文总结和展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢