過渡金屬氧化物納米材料的制備及其鋰離子電池的應(yīng)用研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有高的能量密度和功率密度可以作為電動交通工具的驅(qū)動力而受到廣泛關(guān)注。但是，現(xiàn)階段商業(yè)化的鋰離子電池負極材料主要為石墨基材料，它的理論比容量只有372mAhg-1，已不能滿足大功率、高能量的動力電池的需求。過渡金屬氧化物由于其特殊的儲鋰機理，它們的理論比容量一般比較高（450mAhg-1至1500mAhg-1）。遠遠高出石墨的比容量，有比較廣闊的應(yīng)用前景。而且過渡金屬氧化也是良好催化劑。但是，塊體材料的過渡金屬氧化物的儲鋰

2、性能和催化性能都存在一定的不足（容易粉化和效率低等）。因此本文主要合成納米級的過渡金屬氧化物，以提高過渡金屬氧化物儲鋰性能和催化性能，改善塊體材料的不足。
　　 我們使用簡單的水熱方法以高錳酸鉀和聚乙二醇400為原料，在160℃反應(yīng)5h，制得了多枝狀的MnOOH納米棒。并且研究多枝狀納米棒的形成機理，由于聚乙二醇400是一個非離子型的表面活性劑，很容易吸附在金屬氧化物膠體的某個晶面，使其產(chǎn)生各項異性生長，最終形成一維結(jié)構(gòu)。隨著反

3、應(yīng)時間的進行，為了進一步降低表面能，一維納米棒不斷的聚集，從而導(dǎo)致了多枝狀納米棒的產(chǎn)生。然后，我們以多枝狀MnOOH納米棒為前軀體，通過控制煅燒溫度和氣氛，制得了多枝狀的β-MnO2、Mn2O3多孔和非多孔的Mn3O、MnO和Mn5O8等錳的氧化物。在這些氧化物當(dāng)中，尤其是多孔的Mn3O4具有良好的儲鋰能力和催化氧化亞甲藍的能力。這些優(yōu)異的性能，可能是由于其特殊的結(jié)構(gòu)引起的，一維結(jié)構(gòu)具有一維的電子傳導(dǎo)能力，能夠加速電子的傳導(dǎo)。多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)

4、致大的比表面積，有利于電解液和電極材料的接觸，同時，其空隙也有利于鋰離子在其內(nèi)部的穿梭，增加了其儲鋰的能力。高的比表面積也有利于其催化性能的提高。
　　 通過改進反應(yīng)條件，仍然以高錳酸鉀和聚乙二醇400為原料，我們制得了一維的MnOOH納米棒。然后以MnOOH納米棒為自犧牲模板，以氫氧化鋰為反應(yīng)原料在700℃反應(yīng)10h，制得了直徑約為100納米，長幾個微米的錳酸鋰納米棒。我們使用SEM、TEM、HRTEM和XRD對合成的錳酸鋰納

5、米棒進行了結(jié)構(gòu)和物相的表征。電池測試表明，合成的一維錳酸鋰納米棒是一個良好的鋰離子電池正極材料。當(dāng)在3.0～4.3之間進行充放電時，在1C的倍率下，五十圈循環(huán)后它的容量依然保持在107mAhg-1。在2C時，五十圈循環(huán)后，容量依然為100mAhg-1。即使在10C的倍率下500圈循環(huán)后，它的容量為67mAhg-1。這與碳納米管復(fù)合的錳酸鋰性質(zhì)相當(dāng)。合成的一維錳酸鋰之所有好的性能，可能是由于其一維結(jié)構(gòu)和良好的反應(yīng)原料(MnOOH)引起的。

6、一維結(jié)構(gòu)有利于電子傳導(dǎo)。而MnOOH不但在合成錳酸鋰的過程中，可以形成多孔，有利于鋰鹽與其充分接觸，使反應(yīng)更加充分;同時，生成的錳酸鋰也是四方相與六方相的混合相。有利于提高其循環(huán)性能。我們通過TGA研究MnOOH與氫氧化鋰反應(yīng)的過程和機理。
　　 我們以合成的MnOOH納米棒為自犧牲模板，以Zn(OH)2為反應(yīng)原料，在700℃下反應(yīng)2h，得到了直徑在80～150nm，長度為幾個微米的長條面包狀的ZnMn2O4的納米棒。我們對長條

7、面包狀ZnMn2O4納米棒進行了FT-IR、XRD、TEM、SEM和HRTEM表征。電化學(xué)測試表明合成的ZnMn2O4納米棒不但具有良好的循環(huán)性能，而且具有很好的倍率性能。在500mAg-1的電流下，經(jīng)過100循環(huán)后，電池的容量依然保持在517mAhg-1。電池的倍率性能也很好。形成長條面包狀的ZnMn2O4納米棒的實驗條件和可能反應(yīng)機理進行了討論。
　　 我們以硼酸和二茂鐵為原料，通過簡單的熱共分解法，一步制備出了海膽狀的碳包