微/纳米尺度锂离子电池电极材料的结构设计与储锂性能研究

摘要

锂离子电池作为一种绿色环保能源已广泛应用于各种器件的电源，但是在锂离子电池的发震过程中，提高锂离子电池的比容量和循环寿命仍然是电极材料研究所面临的主要课题。而负极材料是制约其整体性能的关键因素之一。过渡金属氧化物具有约三倍于石墨负极(372mAh/g)的高容量而受到研究者的广泛关注，但是高的首次不可逆容量损失和较差的循环稳定性却阻碍了它们的实用化进程。研究表明，过渡金属氧化物负极材料的性能很大程度上取决于其组成、形貌、颗粒的尺寸等因素。与体相材料相比，微/纳米结构材料能显著提高锂离子电池电化学性能。本文综述了锂离子电池负极材料的研究进展。针对氧化钴、氧化锡等材料的循环性能差和首次库伦效率低等特点，设计出一系列结构新颖的复合材料。本论文的具体研究内容包括：
　　 1为解决过渡金属氧化物作为负极材料时首次不可逆容量损失大和容量衰减快的问题，基于过渡金属氧化物转换反应的脱嵌锂机制，设计得到了以金属钻为核、空心CoO介孔球为壳的纳米复合物。以硝酸钴为原料，嵌段共聚物F-127为模板剂，通过溶剂热的方法制备出均匀单分散的单晶介孔Co3O4纳米球。继而在H2/Ar还原气氛中进行热还原处理，首次报道了通过还原金属氧化物的方法获得成分和结构可控的Co@CoO纳米复合材料，为核壳结构复合物的合成提供了一个新的思路。电化学测试表明该复合材料中的各部分结构特点都能有效的提高材料的电化学性能，金属Co核不仅可提高材料的电导率，同时还具有一定的催化活性促使Li2O的进一步分解，从了提高了脱/嵌锂反应的可逆性能和首次库仑效率。具有多孔结构的CoO空心球有利于与电解液充分的接触和使电解液扩散到材料的颗粒内部。恒电流充放电测试表现出优异的循环稳定性、高的比容量和库伦效率。
　　 2针对锡基氧化物在脱嵌锂过程中严重的体积效应导致合金结构被破坏，从而引发循环性能下降问题，通过使用独特核壳结构的锡基复合材料，充分发挥构筑结构单元优异的性能和单元间的协同作用来实现良好循环性能是一个有效的途径。本论文以可广泛获得的锡酸盐以及葡萄耱作为前驱体，采用简单的“一锅法”合成出单分数性碳包覆介孔SnO2。通过调节葡萄糖与锡酸盐的用量比，可以得到厚度不同的碳包覆层。在合成出介孔SnO2@C的基础上将产物热处理得到纳米结构锡碳复合物。电化学研究表明：含碳量10％的样品容量保持的最好，30次循环后还有387mAh/g的比容量，进一步热处理后将SnO2部分还原，充放电循环40次后容量始终保持在400mAh/g以上。
　　 3本文采用自下而上的合成路径成功制备出CoO@CNTs同轴纳米棒复合材料。以葡萄糖作为碳源，采用水热的方法，在棒状前驱体表面均匀的包覆一层碳膜。通过热处理，获得的CoO纳米颗粒均一填充在碳纳米管的空腔内。电化学性能测试表明，该CoO@CNT一维同轴复合材料通过CoO和CNT两种材料的协同效应，既保持CoO的高容量，又具有很好的循环稳定性。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池负极材料研究概述

1.3.1 碳负极

1.3.2 金属、合金负极

1.3.3 氧化物负极

1.3.4 其他材料

1.4 金属氧化物储锂性能的影响因素和改性方法

1.4.1 控制材料的颗粒尺寸

1.4.2 设计特殊微纳米结构和形貌

1.4.3 设计核-壳结构复合材料

1.4.4 进行表面包覆

1.4.5 掺杂改性

1.5 论文选题依据和主要研究内容

第2章 纳米结构钴基氧化物及其复合材料的制备与研究

2.1 单晶介孔球形Co3O4的制备与研究

2.1.1 引言

2.1.2 实验部分

2.1.3 结果与讨论

2.1.4 小结

2.2 核壳结构Co@CoO复合材料的制备与性能研究

2.2.1 引言

2.2.2 实验部分

2.2.3 结果与讨论

2.2.4 小结

第3章 碳包覆介孔Sn02复合材料的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.3.1 物相与结构表征

3.3.2 锂离子电池负极材料的性能研究

3.4 本章小结

第4章 一维同轴核壳结构CoO@CNT的制备与性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.3.1 样品合成路径

4.3.2 物相与结构表征

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间所发表的学术论文

致谢