過渡金屬氧化物負極材料及其儲鋰性能研究.pdf

1、隨著各種便攜電子設備及電動交通工具的高速發(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)性能是推動鋰離子電池發(fā)展的方向。本論文以負極材料為切入點，以過渡金屬氧化物Fe2O3，TiO2為研究對象，設計多級微/納復合結構，探索尺寸、形貌、以及材料復合對電極材料的電化學性能影響。深入研究材料嵌脫鋰過程對結構的影響，從而建立材料結構與電化學性能的聯系。主要研究內容如下:

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構的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時間與溶劑比例對產物微結構的影響，提出了一種取向腐蝕機理。水與乙醇作為共溶劑產生的這種效應對空心微立方體的形成起到了關鍵的作用。將該空心結構的α-Fe2O3組裝成半電池并與實心結構的α-Fe2O3做性能對比，結果顯示空心結構的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)異的電化學性能歸功于其獨特的空心微結構，使得其在電化學循環(huán)過程中起到穩(wěn)定結構，緩解內應力和增大反應面積的作用。
　　(2)利用氧化亞鐵硫桿菌對二價鐵離子的代謝作用，制備出具有單晶結構的α-Fe2O3納米棒。這種利用生物作用進行材料加工

4、的手段綠色環(huán)保，條件溫和。經一系列表征手段詳細研究了由細菌礦化作用制備具有單晶結構α-Fe2O3的形成機理。將該材料應用于鋰離子電池負極材料，經100次循環(huán)后容量保持為614mAh g-1，性能優(yōu)異。通過詳細研究嵌脫鋰過程對該單晶α-Fe2O3材料結構造成的影響，我們發(fā)現其在循環(huán)過程中不斷顆?；?，并在周圍產生有機質膜網將粉化的顆粒包裹住，達到穩(wěn)定結構的目的。
　　(3)利用高能球磨結合化學沉積的方法，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極材料(2596mAh g-1)，然而在嵌脫鋰過程中易產生體積膨脹，引起材料結構坍塌，導致極大的容量衰減。TiO2作為負極材料具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，但由于自身較低的理論容量，限制了其應用。受到鋼筋混凝土結構的啟發(fā)，將紅磷包裹在TiO2內部，使二者有機結合達到性能互補的作用。研究結果表明，無規(guī)則的紅磷顆粒被納米尺寸的TiO2完全包裹在內，使二者形成一種類似于鋼筋混凝土結構。紅磷作為“鋼筋”，可以極大地提升復合材料的容