三维有序大孔TiO2/氧化铁复合负极材料的制备及性能研究

摘要

三维有序大孔(3DOM)材料具有孔径大、分布均匀、孔道排列周期性强等优势，同时由于其比表面积大、孔壁薄，是制备高稳定性和高能量锂离子电池的理想基体。胶晶模板法制备的三维有序大孔二氧化钛(3DOM TiO2)，具有高度有序的三维大孔网状结构，但是比容量不高、导电性差。而过渡族金属氧化物，如α-Fe2O3、Fe3O4等具有比容量高（分别为1005 mAh g-1、926 mAh g-1）、导电性好、价格低廉、资源丰富、无毒及对环境友好等优点，但是循环性能和稳定性不高。
　　本文提出将3DOM TiO2与氧化铁复合的设想，以实现两者的优势互补，并加入永磁CoPt涂层以吸附粉化后的氧化铁微粒，从而提高复合电极材料的综合性能。即采用无皂乳液聚合法制备不同粒径的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球，再制备出高度有序的胶晶模板，采用溶胶凝胶法和水热法制备了不同粒径的3DOM TiO2、TiO2/CoPt复合材料、氧化铁，同时分析了所制备材料的物相和形貌特征，并对比不同条件下材料的电化学性能（循环性能和充放电性能）和磁性能。
　　在第三章中，制备了不同粒径的PMMA微球用于合成高度有序的胶晶模板，以胶晶模版为基体、钛酸异丙酯溶液为前驱体，成功制备了不同孔径的3DOM TiO2。结果表明，反应时间、温度和引发剂均会影响PMMA微球的粒径，通过大量试验，选择出了四种配方，制备了粒径分别为230、360、460和560nm的PMMA微球。并选择恒温恒湿法快速制备排列规整的PMMA胶晶模板，最佳制备条件为恒温60℃，恒湿60％。SEM显示所制备的TiO2具有高度有序的三维网状结构。结合充放电曲线和倍率曲线，发现粒径为460nm的样品电化学性能最好。
　　在第四章中，以3DOM TiO2为基底，采用溶胶凝胶法制备TiO2/CoPt复合材料，并探讨了不同孔径、不同溶液浓度和用量对材料电化学性能的影响，结果表明最适合的溶液浓度为0.4 mol/L，用量为2mL。电化学测试结果显示，不同粒径的3DOM TiO2/CoPt电化学性能不同，粒径为230nm的样品，在4种粒径的电极材料中可逆容量最高，但是由于230nm的样品粒径太小，不利于后续实验涂覆氧化铁材料，所以最终选择粒径为460nm的材料作后续实验的基底。
　　在第五章中，采用水热法合成了粒径约为500nm的Fe3O4微粒，采用机械混合的方法将3DOM TiO2/CoPt复合材料Fe3O4微粒混合、采用溶胶凝胶法制备了粒径约为2～5nm Fe2O3微粒和3DOMTiO2/CoPt/Fe2O3复合材料，并分别测试了Fe3O4和3DOM TiO2/CoPt的磁学性能及其他样品的电化学性能。研究结果表明磁化后的3DOMTiO2/CoPt/Fe3O4混合材料经过不同电流密度50次充放电后，再次在50mA g-1下测试时，容量保持率为42.28％，高于未经磁化的3DOMTiO2/CoPt/Fe3O4混合负极材料的31.29％和纯Fe3O4的11.37％。磁化后的3DOM TiO2/CoPt/Fe2O3复合负极材料，在电流密度为50mA g-1时，首次放电比容量高达1563.33mAh g-1，倍率曲线也显示磁化后的3DOM TiO2/CoPt/Fe2O3复合负极材料倍率性能优于Fe2O3和未经磁化的3DOM TiO2/CoPt/Fe2O3复合负极材料。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池的发展史

1．3 锂离子电池的结构

1．4 锂离子电池的工作原理

1．5 锂离子电池的特点

1．6 锂离子电池负极材料的研究现状

1．6．1 碳基负极材料

1．6．3 钛酸锂负极材料

1．6．4 硅基负极材料

1．6．5 过渡金属氧化物负极材料

1．7 氧化铁负极材料的研究概况

1．7．1 四氧化三铁负极材料的研究现状

1．7．2 三氧化二铁负极材料的研究现状

1．8 选题依据和研究内容

第二章 实验内容与测试方法

2．1 化学试剂和仪器

2．1．1 化学试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 实验流程

2．2．1 甲基丙烯酸甲酯单体的提纯

2．2．2 过硫酸钾KPS的提纯

2．2．3 PMMA无皂乳液聚合

2．2．4 PMMA模板的制备

2．2．5 溶胶凝胶法制备3DOM TiO2

2．2．6 溶胶凝胶法制备3DOM TiO2／CoPt复合材料

2．2．7 水热法制备TiO2／CoPt／Fe3O4复合材料

2．2．8 溶胶凝胶法制备TiO2／CoPt／Fe2O3复合材料

2．3 材料表征

2．3．1 物相分析(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．4 电化学性能测试

2．4．1 纽扣电池的组装

2．4．2 充放电性能测试

2．4．3 磁学性能测试

第三章 模板法制备三维大孔3DOM TiO2

3．1 前言

3．2 实验原理

3．3 实验方法

3．3．1 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的制备

3．3．2 PMMA胶晶模板的制备

3．3．3 3DOM TiO2的制备

3．4 结果与讨论

3．4．1 形貌表征

3．4．2 物相分析

3．4．3 电化学性能

3．4 本章小结

第四章 3DOM TiO2／CoPt复合负极材料的制备及性能研究

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 CoPt溶液的配制

4．2．1 TiO2／CoPt复合材料的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 物相及成分分析

4．3．2 形貌表征

4．3．3 电化学性能

4．4 本章小结

第五章 3DOM TiO2／CoPt／氧化铁复合负极材料的制备及性能研究

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 Fe3O4的制备

5．2．2 Fe2O3的制备

5．2．3 3DOM TiO2／CoPt／Fe3O4的制备

5．2．4 3DOM TiO2／CoPt／Fe2O3的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 物相分析

5．3．2 形貌表征

5．3．3 Fe3O4的磁学性能

5．3．4 电化学性能

5．4 本章小结

第六章 总结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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