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一维复合纳米结构锂离子电池负极材料的制备、表征及应用

【摘要】:一维复合纳米结构作为锂离子电池负极材料具有独特的结构优势,因此能表现出优越的循环性能、较高的比容量和倍率性能,被认为是长循环寿命、高能量密度和高功率密度的锂离子动力电池的理想选择之一。 本论文提出基于模板法的复合改性过程制备高性能一维复合纳米结构负极材料的新思路。采用Sn纳米棒、多壁碳纳米管(MWCNT)、ZnO纳米棒和FeOOH纳米棒为模板,通过简单的水热法、溶剂热法、层层自组装法及热处理过程制备出一系列一维复合纳米结构的锡基和过渡金属氧化物负极材料,包括SnO2-C复合纳米管、MWCNT-SnO2-C纳米同轴电缆、Sn-C复合纳米棒、SnS2-SiO2复合纳米棒、α-Fe2O3-Ag复合纳米棒和Fe3O4-C复合纳米棒等负极材料。由于独特的结构优势,上述一维复合纳米结构的负极材料表现出了较好的电化学性能。本论文的主要创新结果如下: (1)采用Sn纳米棒为模板,通过葡萄糖的水热碳化过程制备出SnO2-C复合纳米管。与纯的SnO2纳米管负极材料相比,SnO2-C复合纳米管负极材料表现出了较高的首次充放电效率、较好的循环性能和较高的比容量。经过50个循环,其放电比容量大约为400 mAh/g。 (2)采用MWCNT为模板,通过层层自组装法及随后的葡萄糖的水热碳化过程制备出MWCNT-SnO2-C纳米同轴电缆。与MWCNT-SnO2纳米同轴电缆负极材料相比,MWCNT-SnO2-C纳米同轴电缆负极材料表现出了较高的首次充放电效率、优越的循环性能和较高的比容量。经过65个循环,其放电比容量为462.5mAh/g。 (3)采用ZnO纳米棒为模板,通过层层自组装法制备出ZnO-SnO2复合纳米棒。进一步地,采用ZnO纳米棒为模板,通过层层自组装法及随后的葡萄糖的水热碳化过程制备出SnO2-C复合纳米管。作为锂离子电池负极材料,SnO2-C复合纳米管表现出了优越的循环性能和较高的比容量。经过180个循环,其放电比容量为410.1 mAh/g。 (4)采用Sn纳米棒为模板,通过葡萄糖的溶剂热碳化过程制备出Sn-C复合纳米棒。溶剂热碳化过程能够有效抑制Sn模板的氧化,从而获得了高纯度的Sn-C复合纳米棒。与纯的Sn纳米棒负极材料相比,Sn-C复合纳米棒负极材料表现出了较高的首次充放电效率、较好的循环性能和较高的比容量。经过20个循环,其放电比容量为806.6mAh/g。 (5)采用Sn纳米棒为模板,通过Stober方法制备出Sn-SiO2复合纳米棒。进一步地,采用Sn纳米棒为模板、SiO2为纳米反应器,通过可控的硫化过程制备出层状堆积的SnS2-SiO2和单晶的SnS-SiO2复合纳米棒。SiO2纳米反应器能够有效保护Sn模板的一维纳米结构的形貌和单晶的性质,在Sn纳米棒转变为层状堆积的SnS2和单晶的SnS纳米棒的过程中起到了关键性的作用。作为锂离子电池负极材料,SnS2-SiO2复合纳米棒表现出了优越的循环性能、较高的比容量和倍率性能。经过25个循环,其放电比容量为535.7 mAh/g, (6)采用FeOOH纳米棒为模板,通过层层自组装法及随后的热处理过程制备出α-Fe2O3-Ag复合纳米棒。与纯的α-Fe2O3纳米棒负极材料相比,α-Fe2O3-Ag复合纳米棒负极材料表现出了较好的循环性能和较高的比容量。经过180个循环,其放电比容量为549.8mAh/g。 (7)采用FeOOH纳米棒为模板,通过葡萄糖的水热碳化过程制备出Fe3O4-C和γ-Fe2O3-C复合纳米棒。碳层作为有效的纳米反应器,在FeOOH纳米棒转变为Fe3O4和γ-Fe2O3纳米棒的过程中起到了关键性的作用。作为锂离子电池负极材料,Fe3O4-C复合纳米棒表现出了较好的循环性能和较高的比容量。经过40个循环,其放电比容量为1056.2mAh/g。

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