鋰離子電池錳基混合過渡金屬氧化物負(fù)極材料的制備及儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在便攜式小型電子設(shè)備、電動汽車以及混合動力電動車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但是，目前的鋰離子電池性能仍不能滿足日益增長的應(yīng)用需求。在所有鋰離子電池的組成中，負(fù)極材料成為決定鋰離子電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素之一，現(xiàn)在的石墨電極容量低，難以滿足消費(fèi)者對容量等性能的需求。因此，研究開發(fā)新型高性能的負(fù)極材料具有十分重要意義。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴設(shè)計(jì)了以乙醇/水混合溶劑為反應(yīng)體

2、系、草酸為沉淀劑的共沉淀反應(yīng)，制備了形貌均勻的一維棒狀草酸鹽MC2O4·xH2O(M=Zn，Mn)前驅(qū)物，經(jīng)焙燒后獲得了一維微納結(jié)構(gòu)尖晶石型ZnMn2O4材料。我們對材料的組分、形貌等微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，并測試了其儲鋰性能。測試結(jié)果表明:多孔ZnMn2O4納米棒是由顆粒組裝而成。與不規(guī)則的顆粒狀產(chǎn)物相比，一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4負(fù)極材料具有更優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.1C倍率下，其首次放電比容量高達(dá)1741.5mAhg-1。在0.5和

3、1C倍率下，300次循環(huán)后一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4的放電比容量分別為518.2和374.6 mAh g-1，其容量保持率分別高達(dá)81.3％和75.5％。一維微納結(jié)構(gòu)ZnMn2O4負(fù)極材料優(yōu)異的電化學(xué)性能主要?dú)w因于:其特殊的一維微納結(jié)構(gòu)能夠在充放電過程中保持一致的充放電狀態(tài)，同時縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑，有利于材料中電子和鋰離子遷移;還能緩沖鋰離子在充放電過程中引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)變，提高電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性，從而有效地提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。

4、⑵將乙醇/水混合溶劑體系中進(jìn)行的共沉淀反應(yīng)進(jìn)行拓展，設(shè)計(jì)了一維微納結(jié)構(gòu)錳基負(fù)極材料的通用合成方法，并成功制備了一系列錳基混合過渡金屬氧化物，其中包括ZnMnO3和AMn2O4(A=Ni、Fe、 Cu、Mg)。儲鋰性能研究表明:基于本通用方法所合成的一維微納結(jié)構(gòu)錳基負(fù)極材料大部分具有良好的儲鋰性能。其中，ZnMnO3和NiMn2O4儲鋰性能更加優(yōu)異。在0.5 C倍率下，ZnMnO3首次放電比容量為581.6 mAh g-1，經(jīng)過300次循

5、環(huán)后依舊保持有382.9 mAh g-1的放電比容量，容量保持率達(dá)到65.8％; NiMn2O4在0.5 C倍率下首次放電比容量達(dá)到704.2 mAh g-1，在循環(huán)200次后保持有292.9mAh g-1的放電比容量;而FeMn2O4具有良好的循環(huán)性能，在0.5 C倍率下循環(huán)500次后仍然可以提供高達(dá)1017.3mAh g-1的放電比容量，庫倫效率均保持在99％以上。⑶分別采用化學(xué)氧化還原法和水熱沉積法，在不銹鋼基底上設(shè)計(jì)制備了兩種不

6、同形貌的Fe2O3納米結(jié)構(gòu)陣列薄膜，并研究了其潤濕性能以及儲鋰性能。結(jié)果表明:經(jīng)化學(xué)氧化還原法所制備的Fe2O3微納多級結(jié)構(gòu)陣列薄膜比水熱沉積法所制備的Fe2O3納米棒陣列薄膜表現(xiàn)出更好的水潤濕性能。Fe2O3微納多級結(jié)構(gòu)陣列薄膜的接觸角變小，表面自由能增加，這是由于極性力分量變化導(dǎo)致的。而Fe2O3納米棒陣列薄膜接觸角變大，表面自由能減少，這是由于色散力分量變化造成的。這兩種基于導(dǎo)電基底上生長的納米結(jié)構(gòu)陣列薄膜具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且