新型结构金属氧化物/碳基复合材料的合成及其锂电池性能研究

摘要

金属氧化物，特别是过渡金属氧化物因其具有较高的理论容量(600-1000mAh g-1)以及其他优越特性而被广泛应用于锂电池负极材料上。然而它们自身的缺陷又导致在应用时受到限制。如:过渡金属氧化物的导电性比较差，在锂离子电池的电化学反应过程中产生的锂氧化物会进一步破坏材料的导电性;首次不可逆容量损失较大;锂离子电池在循环反应过程中会使电极材料的体积变大，造成电极材料粉末化和脱落等。因此，为了解决这些问题，本文主要对锡氧化物、钴氧化物与石墨烯及碳纳米管复合材料的电池性能进行改良探索。主要内容如下:
　　(1)通过对购买的鳞片石墨进行两次氧化制备氧化石墨，再将氧化的石墨进行热处理得到膨化后的氧化石墨烯纳米片（rGO）;然后以SnC14·5H2O为金属源，水和乙醇为溶剂，再以石墨烯为碳源，经过微波反应15min后得到SnO2/rGO复合材料。实验结果表明:尺寸为1-5nm的SnO2量子点均匀的分布在膨化后氧化石墨烯纳米片上。将制备好的复合材料组装成锂离子半电池并进行电化学性能测试，结果表明该复合材料的比容量保持在797mAh g-1（在100mA g-1的电流密度下循环100圈后）;在经过不同的电流密度(100、200、400、800mA g-1)下循环后，当电流密度重新回到100mA g-1时，所合成的复合材料的比容量依然能保持在777mAh g-1，明显高于单纯SnO2的比容量。该复合材料表现出良好的电化学性能一方面是因为SnO2和石墨烯的协同效应，石墨烯不仅提高了复合材料整体的导电性而且缓解了SnO2在反应过程中的团聚;另一方面，SnO2量子点具有小尺寸效应，使所合成的材料与电解液充分接触，减少了锂离子的扩散路径。
　　(2)SnO2-CoO/CNT复合材料以Co(Ac)2·4H2O、NaSnO3、水和氧化后的多壁碳纳米管为原料，在水浴锅中反应18h后再通过热处理得到的。通过XRD、TG、Raman、SEM、TEM以及XPS等仪器表征分析，发现SnO2和CoO颗粒均匀的附着在多壁碳纳米管上。将所做材料组装成纽扣锂电池并进行电化学性能测试，实验结果显示:在100mAg-1的恒电流密度下循坏100圈以后依然能够保持在819mAh g-1;在经过不同的电流密度(100、200、400、800、1600、3200mA g-1)下充放电循环以后，当电流密度再次回到100mA g-1时，复合材料的比容量依然能够恢复到792mAh g-1。电化学性能如此优越主要归结于:一:纳米复合材料SnO2和CoO的小尺寸效应使得材料在锂化和去锂化的过程中活性增加;二:SnO2和CoO的协同效应;三:多壁碳纳米管为SnO2以及CoO在电化学反应时提供了与电解液充分接触的机会，缩短了锂离子在反应过程中的传输距离。
　　(3)用SnCl4·5H2O、Co(Ac)2·4H2O、NH3·H2O和rGO为原料，经过微波反应15min后，再通过热处理得到SnO2-CoO/rGO纳米簇状复合材料。测试结果表明这种长约为10nm宽约为2-5nm的簇状结构是由SnO2和CoO组成的。用合成的复合材料组装成锂离子半电池并对其电化学性能进行测试，实验表明，在100mA g-1的电流密度下循环100圈之后，其比容量依然能够保持在1264mAh g-1;在经历过不同电流密度下(100、200、400、800、1600mA g-1)循环充放电以后，当电流密度再次回到100mA g-1时，其比容量依然达到1037mAh g-1。以下几个方面是该复合材料所表现出的优越电化学性能的主要原因:一:经过热处理后的氧化石墨烯纳米片在导电性上表现突出;二:SnO2-CoO的特殊结构有利于提高锂离子在电化学反应的过程中嵌入和脱出的速率，从而有利于增加电池反应的效率;三:SnO2-CoO簇状结构在与电解液相互接触时，增大了接触面积，减小了锂离子反应路程;四:SnO2、CoO和rGO之间的协同效应。特别是在电池循环一定圈数以后，电池的容量有明显的的上升，这主要是因为在电化学反应过程中二价的钴离子变成三价的钴离子造成的。

目录

摘要

第一章绪论

1．2 锂离子电池概述

1．2．1锂离子电池的发展简介

1．2．2锂离子电池的组成和工作原理

1．2．3锂离子电池的分类

1．2．4锂离子电池的特点

1．3锂电池负极材料的研究状况

1．3．1纳米碳负极材料

1．3．2石墨烯及其石墨烯基的复合材料

1．3．3过渡金属氧化物负极材料

1．3．4金属硫化物及其氮化物负极材料

1．4本文选题与研究内容

1．4．1选题依据

1．4．2研究内容

第二章实验方法与仪器

2．1实验试剂与仪器

2．1．1实验试剂

2．1．2合成及表征仪器

2．2材料的表征与物性分析

2．2．6 X射线电子能谱(XPS)分析

2．3电池性能测试

2．3．1电极制备

2．3．2恒流充放电测试

2．3．3循环伏安测试

第三章微波辅助快速合成SnO2／rGO复合材料及其储锂性能的研究

3．1前言

3．2实验部分

3．2．2 SnO2／rGO复合材料的表征

3．3结果与讨论

3．3．1 SnO2／rGO复合材料的XRD、TGA、Raman、XPS分析

3．3．2 SnO2／rGO复合材料的SEM和TEM分析

3．3．3 SnO2／rGO复合材料的储锂性能分析

3．4本章小结

第四章SnO2-CoO／CNT复合材料的制备及其储锂性能研究

4．1前言

4．2实验部分

4．2．2 SnO2-CoO／CNT复合材料的表征

4．3结果与讨论

4．3．1 SnO2-CoO／CNT复合材料的XRD、TG和Raman分析

4．3．2 SnO2-CoO／CNT复合材料XPS分析

4．3．3 SnO2-CoO／CNT复合材料的TEM分析

4．3．4 SnO2-CoO／CNT复合材料储锂性能分析

4．4本章小结

第五章SnO2-CoO／rGO复合材料的快速制备及其储锂性能的研究

5．1前言

5．2实验部分

5．2．2 SnO2-CoO／rGO复合材料的表征

5．3结果与讨论

5．3．2 SnO2-CoO／rGO复合材料的XPS分析

5．3．3 SnO2-CoO／rGO复合材料的TEM分析

5．3．4 SnO2-CoO复合材料储锂性能分析

5．4本章小结

第六章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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