鋰離子電池過渡金屬氧化物負極材料的制備及其電化學性能表征.pdf

1、由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長和對環(huán)境友好等優(yōu)點，鋰離子電池被認為是最具有發(fā)展前景的電能存儲技術之一。石墨因其良好的循環(huán)穩(wěn)定性而被廣泛的應用于商業(yè)化的鋰離子電池負極中，但其較低的理論比容量已經(jīng)無法滿足日益增長的高能量密度電池的需求。因此，研發(fā)具有高比容量、低成本且對環(huán)境友好的新型鋰離子電池負極材料就變的十分必要。過渡金屬氧化物因其具有可逆容量高、來源豐富的優(yōu)勢而受到了越來越多的關注。然而過渡金屬氧化物也存在著導電性差、首次不可逆容量損失

2、高和循環(huán)穩(wěn)定性差的問題。本文針對過渡金屬氧化物的上述缺點，分別從材料結構納米化、與碳材料復合、形貌調(diào)控等方面對其進行了改性研究以提高其電化學性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過二茂鐵的高溫熱分解反應，我們制備了直接生長于不銹鋼基底上的碳包覆納米α-Fe2O3薄膜。SEM和HRTEM的表征結果顯示，碳包覆納米α-Fe2O3薄膜的厚度約為200 nm，其表面碳包覆層的厚度約為3 nm。電化學性能測試發(fā)現(xiàn)，在測試電流密度為500 mA

3、 g-1時，其循環(huán)300圈后的放電比容量仍然高達1138 mAh g-1，即使在測試電流密度高達10000 mA g-1時，其放電比容量仍然可以保持在458.8 mAh g-1，由此可知碳包覆納米α-Fe2O3薄膜具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在利用掃描透射軟 X射線譜學顯微(STXM)技術對其工作機理進行研究時發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e的價態(tài)與其循環(huán)過程中容量呈現(xiàn)出先降后升的趨勢有著重要的聯(lián)系，低價態(tài) Fe離子的存在會使鋰離子受限，從而使得樣品的容

4、量下降，而低價態(tài)的 Fe恢復到α-Fe2O3(Fe3+)則可以使樣品的容量得到顯著地增加。⑵結合水熱合成法和原子層沉積技術制備了Fe2O3@TiO2納米管復合物。實驗結果顯示，與 Fe2O3復合可以顯著提高 TiO2納米管的電化學性能。在測試電流密度為200 mA g-1時，循環(huán)150圈后，F(xiàn)e2O3@TiO2納米管復合物的放電比容量仍可達450 mAh g-1，是相同測試電流密度下 TiO2納米管負極材料的兩倍。Fe2O3@TiO2納

5、米管復合物良好的電化學性能歸功于 TiO2納米管的結構穩(wěn)定性和Fe2O3較高的理論比容量。⑶采用原子層沉積技術成功的將γ-Fe2O3納米顆粒負載在了多壁碳納米管表面，從而制備了γ-Fe2O3@CNTs復合物。電化學測試結果顯示該復合物具有較優(yōu)異的電化學性能，在測試電流密度為500 mA g-1時，ALD沉積500次循環(huán)的樣品，循環(huán)300圈以后的放電比容量仍可達1148.8 mAh g-1。其較好的電化學性能得益于碳納米管形成的導電網(wǎng)絡提

6、高了γ-Fe2O3納米顆粒的導電性，而且γ-Fe2O3納米顆粒較小的顆粒尺寸可以在一定程度上緩解其在充放電過程中發(fā)生的體積變化。通過電子能量損失譜(EELS)對其工作機理的研究發(fā)現(xiàn)，樣品中Fe2O3的不完全相轉化會導致容量的衰減，而樣品中低價態(tài)的 Fe向高價態(tài)的 Fe的轉化則會導致其容量的升高。⑷以脫脂棉為模板合成了具有多孔結構的片狀納米四氧化三鈷。SEM和TEM的表征結果顯示，由此模板法制備的多孔四氧化三鈷是由眾多納米顆粒組成的片狀結