電化學(xué)儲(chǔ)能關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)合成及其性能研究.pdf

1、在眾多的儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰離子電池和超級(jí)電容器具有很高的能量密度和功率密度，長(zhǎng)循環(huán)壽命，安全以及環(huán)境兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，受到了來自科學(xué)界以及工業(yè)界的廣泛關(guān)注。對(duì)于超級(jí)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(guān)系。目前商業(yè)化的超級(jí)電容器電極材料和鋰離子電池負(fù)極材料主要是碳材料，它的容量相對(duì)較低，已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。因此科學(xué)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(jié)果表明，過渡金屬氧化

2、物具有很高的理論比容量而且價(jià)格低廉，很有希望成為下一代高性能超級(jí)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(dǎo)電性能以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的合理構(gòu)建及石墨烯復(fù)合材料的設(shè)計(jì)合成等方面開展了的工作內(nèi)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(xué)活性。本章通過簡(jiǎn)單的水熱法合成了由納米薄片組裝而成的具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的NiMoO4

3、球狀結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，該NiMoO4納米球比NiMoO4納米棒具有更高的導(dǎo)電性，更大的比表面積以及更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對(duì)它們的超電容特性進(jìn)行了研究，在同樣的測(cè)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(shí)驗(yàn)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(xué)測(cè)試結(jié)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(zhǎng)在導(dǎo)

4、電基底上然后作為無粘結(jié)劑的超電容電極具有諸多優(yōu)點(diǎn)。本章通過簡(jiǎn)單的水熱法在泡沫鎳基底上生長(zhǎng)上超薄多孔的NiCo2O4納米片陣列并對(duì)它作為無粘結(jié)劑超電容電極進(jìn)行了研究。另外，我們還對(duì)合成體系中氟化銨(NH4F)的作用進(jìn)行了研究。通過簡(jiǎn)單改變NH4F的用量，我們制備出了不同形貌的NiCo2O4納米結(jié)構(gòu)，并對(duì)它們的電化學(xué)性能都進(jìn)行了研究。測(cè)試結(jié)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(xué)性能。

5、這些優(yōu)異的電化學(xué)性能與它獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和形貌有著密切的關(guān)系。
　　3.該無粘結(jié)劑電極目前存在的主要問題是活性材料在導(dǎo)電基底上的負(fù)載量太少，造成電極單位面積的比容量較低。本章設(shè)計(jì)了兩步水熱法在泡沫鎳基底上構(gòu)建了獨(dú)特的NiCo2O4納米線@CoMoO4納米片復(fù)合結(jié)構(gòu)多級(jí)納米陣列。此外，我們通過改變反應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)對(duì)CoMoO4納米片在NiCo2O4納米線陣列上的二次生長(zhǎng)過程進(jìn)行了研究。這種多級(jí)結(jié)構(gòu)納米陣列的設(shè)計(jì)不僅大幅度地提高了單位面積上活

6、性物質(zhì)負(fù)載量，同時(shí)又能確保負(fù)載活性材料具有高的利用率。我們對(duì)制得的NiCo2O4@CoMoO4復(fù)合結(jié)構(gòu)納米陣列作為無粘結(jié)劑超級(jí)電容器電極進(jìn)行了研究，測(cè)試結(jié)果表明該復(fù)合結(jié)構(gòu)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(chǔ)鋰機(jī)制的SnO2具有很高的理論比容量，但是循環(huán)性能和導(dǎo)電性能較差，嚴(yán)重限制了它的實(shí)際應(yīng)用。本章通過簡(jiǎn)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(fù)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(fù)合材料作為對(duì)比。我們對(duì)合成的兩種SnO2和石墨烯復(fù)合材料儲(chǔ)鋰離性能進(jìn)行了研究。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，相比SnO2 NPs/GS復(fù)合材料，該SnO2 ONCs/GS復(fù)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(zhuǎn)換和合金儲(chǔ)

8、鋰機(jī)制，也是目前廣泛研究的一種高性能鋰離子電池負(fù)極材料。為了提高它的循環(huán)和倍率性能，本章設(shè)計(jì)了兩步法制備得到了ZnMn2O4多孔納米球與石墨烯(ZMO-GPSs)復(fù)合材料。結(jié)構(gòu)分析表明，大小為500-700nm左右的ZnMn2O4多孔納米球被石墨烯嚴(yán)實(shí)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(duì)單純的ZMOPSs和ZMO-G PSs復(fù)合材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能都進(jìn)行了測(cè)試。正如所預(yù)期的那樣，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，該Z