三元金屬氧化物-碳納米復(fù)合材料的制備及在鋰離子電池負極中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，鋰離子電池(LIBs)由于具有高的比能量，長的循環(huán)壽命，無記憶效應(yīng)和對環(huán)境友好等特點而被廣泛地應(yīng)用于日常生活中。負極材料的結(jié)構(gòu)是鋰離子電池的關(guān)鍵，它的性質(zhì)直接影響電池的性能。因此，人們?yōu)榱藢ふ依硐氲呢摌O材料做出了不懈的努力。石墨類碳材料是已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化負極材料中的一種，但是它最高只能表現(xiàn)出372 mAh g-1容量，無法滿足人們的需求。三元金屬氧化物由于理論容量高，它得到了人們的大量研究。但是由于本身導(dǎo)電性不好和在循環(huán)過程中發(fā)

2、生較大體積改變導(dǎo)致電池性能較快地衰減而不能得到進一步的應(yīng)用。本文中，用不同碳材料與三元金屬氧化物復(fù)合來提高電池的性能，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)以Mn(CH3COO)2·4H2O和FeCl3·6H2O為原料，在堿性的乙二醇溶液中合成了MnFe2O4微球;用葡萄糖為碳源，在水熱環(huán)境下反應(yīng)并在惰性氣體保護下高溫煅燒處理得到了碳包覆MnFe2O4微球。將制備的材料通過電鏡測試，測試顯示MnFe2O4微球為300-400 nm大小，外

3、表面的碳厚度為3-5 nm。將材料組裝成電池后測試:單純MnFe2O4微球的電池循環(huán)了50圈后容量只有300mAhg-1，然而MnFe2O4@C復(fù)合材料循環(huán)50圈后容量高達646 mAh g-1。MnFe2O4@C復(fù)合材料電池在大電流密度1000mAg-1下有252mAhg-1的容量，而MnFe2O4微球電池在1000mAg-1下容量只有40 mAh g-1。單純的MnFe2O4微球表現(xiàn)出低的性能是因為在充放中它差的電子導(dǎo)電性和發(fā)生了較

4、大的結(jié)構(gòu)改變。MnFe2O4@C復(fù)合材料中的碳層一方面可以提高電子的導(dǎo)電性，另一方面可以作為一種保護層來阻止活性物質(zhì)在鋰化過程中的結(jié)構(gòu)坍塌。
　　(2)用乙二胺為氮源制備氮摻雜三維石墨烯，然后用水熱法和隨后的高溫煅燒法合成了ZnCo2O4/N-3DG復(fù)合材料。制備的材料通過SEM測試顯示ZnCo2O4納米顆粒很好地鑲嵌在片層三維石墨烯上;從TEM測試進一步可以看到ZnCo2O4納米顆粒尺寸大概在20-40 nm。將其組裝成電池后在

5、100 mA g-1下測試，ZnCo2O4/N-3DG復(fù)合材料的第一次放電容量1654mAh g-1，緊接著的充電容量為931 mAh g-1。電池在此電流密度下循環(huán)150圈后容量穩(wěn)定在1102mAhg-1。電池分別在80，160，400，800和1600 mAg-1的電流密度下各自循環(huán)了10圈后的容量分別為727，544，436，300和272 mAh g-1。
　　(3)以CoCl2·6H2O和CuCl2·2H2O為原料，水熱

6、法合成了CuCo2O4/G復(fù)合材料。通過TEM測試顯示CuCo2O4小顆粒的尺寸大概為10nm并很好地分散在了片狀石墨烯上。在0.1C的電流下電池的第一次放電容量為1500mAhg-1，緊接著充電容量844 mAh g-1。循環(huán)80圈后容量穩(wěn)定在1040mAh g-1。電池在0.1C，0.2C，0.5C，1C的電流密度下分別循環(huán)了10圈后容量為976，1010，714，419mAh g-1。當電流密度調(diào)高至2C時，電池的容量仍然穩(wěn)定在2