過渡金屬氧化物負(fù)極材料及其儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、隨著各種便攜電子設(shè)備及電動(dòng)交通工具的高速發(fā)展，目前商業(yè)鋰離子電池材料能量密度已經(jīng)難以滿足需求。因此，尋求新材料為鋰離子電池提供更高的能量密度，更加穩(wěn)定的循環(huán)性能是推動(dòng)鋰離子電池發(fā)展的方向。本論文以負(fù)極材料為切入點(diǎn)，以過渡金屬氧化物Fe2O3，TiO2為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)多級(jí)微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)，探索尺寸、形貌、以及材料復(fù)合對(duì)電極材料的電化學(xué)性能影響。深入研究材料嵌脫鋰過程對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，從而建立材料結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的聯(lián)系。主要研究內(nèi)容如下:

2、　　(1)一鍋法利用水/乙醇作為共溶劑，通過水熱制備具有空心結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3微立方體。合成出的微立方體大小均勻，棱長約為1.5μm。通過研究一系列反應(yīng)時(shí)間與溶劑比例對(duì)產(chǎn)物微結(jié)構(gòu)的影響，提出了一種取向腐蝕機(jī)理。水與乙醇作為共溶劑產(chǎn)生的這種效應(yīng)對(duì)空心微立方體的形成起到了關(guān)鍵的作用。將該空心結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3組裝成半電池并與實(shí)心結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3做性能對(duì)比，結(jié)果顯示空心結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3展示出了優(yōu)異的循環(huán)性能（在100mA g-1的

3、充放電電流下經(jīng)100次循環(huán)，容量保持在458mAh g-1）和高倍率性能（在100，200，500和1000mA g-1的放電電流下容量分別保持在859，855，688和460mAh g-1）。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能歸功于其獨(dú)特的空心微結(jié)構(gòu)，使得其在電化學(xué)循環(huán)過程中起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，緩解內(nèi)應(yīng)力和增大反應(yīng)面積的作用。
　　(2)利用氧化亞鐵硫桿菌對(duì)二價(jià)鐵離子的代謝作用，制備出具有單晶結(jié)構(gòu)的α-Fe2O3納米棒。這種利用生物作用進(jìn)行材料加工

4、的手段綠色環(huán)保，條件溫和。經(jīng)一系列表征手段詳細(xì)研究了由細(xì)菌礦化作用制備具有單晶結(jié)構(gòu)α-Fe2O3的形成機(jī)理。將該材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，經(jīng)100次循環(huán)后容量保持為614mAh g-1，性能優(yōu)異。通過詳細(xì)研究嵌脫鋰過程對(duì)該單晶α-Fe2O3材料結(jié)構(gòu)造成的影響，我們發(fā)現(xiàn)其在循環(huán)過程中不斷顆?；?，并在周圍產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)膜網(wǎng)將粉化的顆粒包裹住，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的目的。
　　(3)利用高能球磨結(jié)合化學(xué)沉積的方法，用紅磷改性無定形二氧化鈦。紅磷

5、是一種具有很高理論容量的負(fù)極材料(2596mAh g-1)，然而在嵌脫鋰過程中易產(chǎn)生體積膨脹，引起材料結(jié)構(gòu)坍塌，導(dǎo)致極大的容量衰減。TiO2作為負(fù)極材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，但由于自身較低的理論容量，限制了其應(yīng)用。受到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，將紅磷包裹在TiO2內(nèi)部，使二者有機(jī)結(jié)合達(dá)到性能互補(bǔ)的作用。研究結(jié)果表明，無規(guī)則的紅磷顆粒被納米尺寸的TiO2完全包裹在內(nèi)，使二者形成一種類似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。紅磷作為“鋼筋”，可以極大地提升復(fù)合材料的容