硫化铜及钒基化合物的溶剂热合成及锂离子电池性能研究

摘要

二十一世纪曰益严重的能源、环境危机使人们对于能源的生产和转换提出了更高的需求。纳米材料由于其高选择性和高效性，成为能源生产和转换材料的首选.如选择纳米材料作为锂离子电池的电极材料，已然成为一个极受关注的研究课题。本文旨在利用溶剂热合成的纳米材料具有结晶性好、纯度高、颗粒团聚少等优点，控制合成不同形貌的过渡金属氧化物、硫化物，如三维的纳米/微米复合结构，二维类似与石墨烯结构的超薄纳米片；讨论了温度、时间等对产物形貌、组成的影响；根据材料本身的特征，研究其在锂离子电池中的电化学行为；并初步讨论不同的形貌结构对材料性能的影响。本论文的主要内容可归纳如下：
　　 1.利用简单的乙醇一水体系，未添加任何表面活性剂，混合溶剂热条件下得到了由厚10nm的片交叉生长成的直径约为200-300nm的CuS纳米微球。通过发光性能的研究，发现量子效应作用导致光致发光及紫外可见吸收光谱的峰位置普遍发生蓝移。同时对硫化铜CuS纳米微球进行了锂电性能的测试，发现其存在两个稳定的放电平台。首次对其进行了水相锂电性能的测试，发现它存在一个放电平台处于水溶液的电化学稳定窗口内，是一种潜在的水溶液锂离子电池的负极材料。
　　 2.用简单的低温溶剂热法合成了由大小400nm的纳米立方块组成的乙二醇钒微米球。在乙二醇溶液中，研究了温度对于其价态和形貌的影响,发现随着温度的升高，经历了由四价的球状乙二醇钒向五价片花状(NH4)2V6O16的转变。首次研究了乙二醇钒的电化学性能，发现在60mA/g电流密度下，其首次放电容量可达1826mAh/g，即使在200次循环之后，容量仍可以保持在477mAh/g，表现出较高的放电容量和优良的循环性能，使之有望应用于锂离子电池。并通过“自上而下”热转化法得到不同形貌的V2O3微纳结构也是一种潜在的锂离子电极材料。
　　 3.以乙醇作为溶剂，不需要任何模板和表面活性剂，利用前驱物热分解的方法控制合成得类似石墨烯厚度的超薄V2O3纳米片。通过测试其电阻和温度的相互关系，发现原本在0-300K存在一级相变的V2O3并没有出现，这种V2O3极薄的纳米片具有良好的导电性，可能是一种很好的柔性电极材料。通过调节反应的温度、时间，控制合成由厚度不同的纳米片组成的大小和致密程度皆不同的三维片花球状的前驱物。分别在氩气和含10％乙炔气的氩气中退火，可得到主体形貌维持不变的V2O3及V2O3/C微纳结构。通过对比V2O3超薄片、三维片花及其各自的碳包覆材料在锂离子电池中的电化学性质，发现三维花球的V2O3/C微纳结构在0-3V的电压范围内，200mA/g的电流密度下，80次循环过后，仍可保持360mAh/g的放电容量，显示了优异的放电容量和稳定的循环性能。
　　 4.利用简单的溶剂热，在300℃使用六氯-1.3-丁二烯和金属钠为原料，在聚乙二醇600辅助作用下，一步合成得到1-3层的石墨烯片。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料的特性

1.2.1 体积效应

1.2.2 表面效应

1.2.3 量子尺寸效应

1.2.4 量子隧穿效应

1.3 纳米材料的液相法制备

1.3.1 化学沉淀法(Chemical Precipitation Method

1.3.2 微乳液法(Microemulsion)

1.3.3 胶体化学法(Sol-gel Method)

1.3.4 水热-溶剂热法(Hydrothermal and Solvothermal Methods)

1.4 纳米材料的表征

1.4.1 粒度和形貌分析

1.4.2 成分分析

1.4.3 热分析

1.5 纳米材料在锂离子电池中的应用

1.5.1 锂离子电池发展概况

1.5.2 锂离子电池的工作原理

1.5.3 锂离子电池的组成材料

1.6 本论文的选题依据和研究内容

参考文献

第2章 硫化铜微纳结构的制备及锂离子电池性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂

2.2.2 样品制备

2.2.3 样品表征

2.2.4 电化学测试

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 样品物相和微结构

2.3.2 样品光学性能表征

2.3.3 样品电化学性能表征

2.4 本章小结

参考文献

第3章 乙二醇钒的溶剂热合成及其锂离子电池性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂

3.2.2 样品制备

3.2.3 样品表征

3.2.4 电化学测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 产物物相和微结构

3.3.2 温度对溶剂热合成产物的物相和形貌的影响

3.3.3 退火对溶剂热合成产物的物相和形貌的影响

3.3.4 电化学性能表征

3.4 本章小结

参考文献

第4章 三氧化二钒的溶剂热控制合成及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂

4.2.2 样品制备

4.2.3 样品表征

4.2.4 电化学测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 前驱物物相和微结构

4.3.2 产物物相和微结构

4.3.3 产物的金属绝缘体相变

4.3.4 产物的锂离子电池性能研究

4.4 本章小结

参考文献

第五章 石墨烯的溶剂热合成及论文总述

5.1 石墨烯的溶剂热合成

5.1.1 引言

5.1.2 实验部分

5.1.3 实验结果与讨论

5.1.4 实验小结

5.2 论文总述及未来的研究展望

5.2.1 本论文的创新之处

5.2.2 本论文的不足之处

5.2.3 对未来研究的展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

致谢