電化學儲能關鍵材料的設計合成及其性能研究.pdf

1、在眾多的儲能系統(tǒng)中，鋰離子電池和超級電容器具有很高的能量密度和功率密度，長循環(huán)壽命，安全以及環(huán)境兼容性好等優(yōu)點，受到了來自科學界以及工業(yè)界的廣泛關注。對于超級電容器和鋰離子電池來說，它們的性能好壞與所使用的電極材料有很大關系。目前商業(yè)化的超級電容器電極材料和鋰離子電池負極材料主要是碳材料，它的容量相對較低，已經不能滿足人們日益增長的需求。因此科學工作者正在努力尋找開發(fā)新型的高性能電極材料來替代傳統(tǒng)的碳材料。最近研究結果表明，過渡金屬氧化

2、物具有很高的理論比容量而且價格低廉，很有希望成為下一代高性能超級電容器和鋰離子電池的電極材料。本文主要從提高過渡金屬氧化物電極材料的比表面積、導電性能以及結構穩(wěn)定性出發(fā)，在過渡金屬氧化物的微觀形貌可控制備，電極結構的合理構建及石墨烯復合材料的設計合成等方面開展了的工作內容主要如下：
　　1.三元過渡金屬氧化物通常表現(xiàn)出比二元過渡金屬氧化物更加優(yōu)異的電化學活性。本章通過簡單的水熱法合成了由納米薄片組裝而成的具有分級結構的NiMoO4

3、球狀結構。研究發(fā)現(xiàn)，該NiMoO4納米球比NiMoO4納米棒具有更高的導電性，更大的比表面積以及更好的結構穩(wěn)定性。對它們的超電容特性進行了研究，在同樣的測試條件下，NiMoO4納米球展示出了更好的倍率性能以及循環(huán)性能。此外，我們改變實驗條件，成功地通過水熱法合成出了比表面積更大的多孔NiMoO4超薄納米片。電化學測試結果表明，該多孔NiMoO4超薄納米片展示出了更高的比容量。
　　2.相比于傳統(tǒng)的超電容電極，直接將電極材料生長在導

4、電基底上然后作為無粘結劑的超電容電極具有諸多優(yōu)點。本章通過簡單的水熱法在泡沫鎳基底上生長上超薄多孔的NiCo2O4納米片陣列并對它作為無粘結劑超電容電極進行了研究。另外，我們還對合成體系中氟化銨(NH4F)的作用進行了研究。通過簡單改變NH4F的用量，我們制備出了不同形貌的NiCo2O4納米結構，并對它們的電化學性能都進行了研究。測試結果表明，超薄多孔的NiCo2O4納米片陣列電極(NH4F用量為6 mmol)表現(xiàn)出最優(yōu)異的電化學性能。

5、這些優(yōu)異的電化學性能與它獨特的結構和形貌有著密切的關系。
　　3.該無粘結劑電極目前存在的主要問題是活性材料在導電基底上的負載量太少，造成電極單位面積的比容量較低。本章設計了兩步水熱法在泡沫鎳基底上構建了獨特的NiCo2O4納米線@CoMoO4納米片復合結構多級納米陣列。此外，我們通過改變反應時間的實驗對CoMoO4納米片在NiCo2O4納米線陣列上的二次生長過程進行了研究。這種多級結構納米陣列的設計不僅大幅度地提高了單位面積上活

6、性物質負載量，同時又能確保負載活性材料具有高的利用率。我們對制得的NiCo2O4@CoMoO4復合結構納米陣列作為無粘結劑超級電容器電極進行了研究，測試結果表明該復合結構納米陣列電極展示出比單一NiCo2O4納米陣列高出很多的面積比容量。
　　4.合金儲鋰機制的SnO2具有很高的理論比容量，但是循環(huán)性能和導電性能較差，嚴重限制了它的實際應用。本章通過簡單的水熱法一步就制備得到了SnO2八面體納米晶與石墨烯(SnO2 ONCs/GS

7、)復合材料。這些SnO2八面體納米晶具有{332}高指數(shù)面裸露，比較牢固的錨定在石墨烯上面。另外，我們還合成出了非高指數(shù)面裸露的SnO2納米小顆粒與石墨烯(SnO2 NPs/GS)復合材料作為對比。我們對合成的兩種SnO2和石墨烯復合材料儲鋰離性能進行了研究。電化學測試結果表明，相比SnO2 NPs/GS復合材料，該SnO2 ONCs/GS復合材料展示出更好的循環(huán)與倍率性能。
　　5.三元的錳酸鋅(ZnMn2O4)具有轉換和合金儲

8、鋰機制，也是目前廣泛研究的一種高性能鋰離子電池負極材料。為了提高它的循環(huán)和倍率性能，本章設計了兩步法制備得到了ZnMn2O4多孔納米球與石墨烯(ZMO-GPSs)復合材料。結構分析表明，大小為500-700nm左右的ZnMn2O4多孔納米球被石墨烯嚴實包裹著，并且ZMO PSs顆粒與顆粒之間通過石墨烯相互連接起來。我們對單純的ZMOPSs和ZMO-G PSs復合材料的電化學儲鋰性能都進行了測試。正如所預期的那樣，電化學測試結果表明，該Z