金屬氧化物的合成及作為鋰離子負(fù)極材料的電化學(xué)性能研究.pdf

1、金屬氧化物因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性在催化，光敏材料，熱敏材料以及電化學(xué)材料等方面有良好的應(yīng)用前景。金屬氧化物與傳統(tǒng)的碳材料（比容量為373mAh·g-1）相比具有更高的容量，且材料來(lái)源廣，在鋰離子負(fù)極材料領(lǐng)域受到極大關(guān)注。但金屬氧化物在充放電過(guò)程中有極其明顯的體積效應(yīng)，結(jié)構(gòu)畸變嚴(yán)重，導(dǎo)致其電化學(xué)穩(wěn)定性下降。相關(guān)研究表明，材料的形貌及顆粒大小對(duì)其電化學(xué)性能有重要影響。因此，我們通過(guò)合成不同形貌，不同粒徑的氧化物來(lái)探究其電化學(xué)性能。本文通過(guò)改變反

2、應(yīng)條件與合成方法來(lái)合成了不同的氧化物。分別通過(guò)共沉淀法，微波法和沉淀自組裝合成了MgFe2O4，CeO2和SnO2顆粒。并且通過(guò)X-射線(xiàn)衍射（XRD）、紅外（IR）、X-射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、熱重（TG）對(duì)材料的合成機(jī)理進(jìn)行探究，通過(guò)掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）對(duì)顆粒的形貌與顆粒大小進(jìn)行表征，通過(guò)循環(huán)伏安（CV）、交流阻抗測(cè)試（EIS）和充放電性能測(cè)試對(duì)材料的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)試表明，不同條件合成的材料形貌

3、有所不同，導(dǎo)致相應(yīng)的電化學(xué)性能也有所改變。
　　第一章為緒論部分，主要闡述了鋰離子電池的發(fā)展情況，并對(duì)鋰離子電池的組成和原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。鋰離子電池由電池正負(fù)極外正極材料、電解液、隔膜紙以及負(fù)極材料組成。重點(diǎn)講述了部分學(xué)者對(duì)相關(guān)金屬氧化物的合成及電化學(xué)性能的研究成果。最后列舉了目前金屬氧化物的常見(jiàn)合成方法，主要包括水熱法、溶膠凝膠法、共沉淀法、固相法以及微波法。
　　第二章主要介紹了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中常用的試劑與儀器設(shè)備。主要設(shè)

4、備包括X-射線(xiàn)衍射儀、紅外光譜儀、紫外光譜儀、熱重分析儀、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電化學(xué)工作站和充放電測(cè)試儀。
　　第三章通過(guò)共沉淀法，以MgSO4和FeCl3·6H2O為鎂源與鐵源，NaOH溶液為沉淀劑，合成了具有類(lèi)球型形貌的MgFe2O4。并對(duì)其合成機(jī)理及相關(guān)性能進(jìn)行探究。通過(guò)SEM和TEM測(cè)試對(duì)MgFe2O4的顆粒大小及表面形貌進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果表明，隨著煅燒溫度的升高，樣品的顆粒尺寸增大，不同的煅燒溫度對(duì)樣品的形貌

5、及顆粒尺寸均有影響。為了探究樣品的電化學(xué)性能，我們進(jìn)行了循環(huán)伏安和充放電性能測(cè)試。電流密度為0.2mA·cm-2，電壓范圍0.0-3.0V。測(cè)試結(jié)果表明，煅燒溫度為700,800,900和950℃的MgFe2O4初始放電容量分別為1380，1301，1200和978mAh·g-1。900℃下煅燒的樣品容量衰減相對(duì)減緩，經(jīng)過(guò)10和20周循環(huán)之后容量分別穩(wěn)定在460和448mAh·g-1。在倍率為0.05,0.1和0.5C下循環(huán)40次之后放

6、電容量分別為463,425和290mAh·g-1。容量保持率分別為38.5,35.4和24.1％。表明MgFe2O4作為鋰離子負(fù)極材料有很大的研究?jī)r(jià)值。
　　第四章通過(guò)微波法，以Ce(NO3)3·6H2O，檸檬酸和尿素為原料，以無(wú)水乙醇與蒸餾水為混合溶劑制備出了蝴蝶型和球型CeO2。通過(guò)XRD，XPS,熱重及紅外表征對(duì)其合成機(jī)理進(jìn)行探究。并分別對(duì)未添加檸檬酸和添加檸檬酸所得到的樣品進(jìn)行了掃描電鏡測(cè)試，未添加檸檬酸合成的CeO2表面

7、形貌為蝴蝶型，以檸檬酸為螯合劑得到的CeO2表面形貌為空心球型，且顆粒較小。表明以檸檬酸為螯合劑對(duì)CeO2的整體形貌有重要影響。通過(guò)對(duì)兩種形貌的CeO2進(jìn)行交流阻抗測(cè)試和充放電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)顆粒較小的球型CeO2具有更好的電化學(xué)性能。電流密度為0.2mA·cm-2，電壓范圍0.0-3.0V。測(cè)試結(jié)果表明，蝴蝶型CeO2和球型CeO2的初始放電容量分別為800和750mAh·g-1。經(jīng)過(guò)循環(huán)后，第二次的放電容量分別為225和295mAh·

8、g-1。第一次循環(huán)和第二次循環(huán)之間存在十分明顯的容量衰減，分別衰減了70%和60%。表明不同形貌的CeO2具有不同的電化學(xué)性能，研究不同形貌的CeO2對(duì)鋰離子負(fù)極材料具有重要的意義。
　　第五章采用簡(jiǎn)單的自組裝合成法，分別以SnCl2·2H2O和SnSO4為原料，無(wú)水乙醇與蒸餾水為混合溶劑制備出了SnO2納米帶和納米球。通過(guò)XRD測(cè)試得到適宜的煅燒溫度為700℃，當(dāng)煅燒溫度為400℃是樣品為非晶相。掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明，以不同的錫

9、酸鹽為原料，所得SnO2的形貌及顆粒尺寸均發(fā)生了明顯的變化。以SnCl2·2H2O為原料合成的SnO2整體形貌為納米帶，由許多小顆粒團(tuán)聚而成。以SnSO4為原料合成的SnO2整體形貌為球型，顆粒表面光滑，尺寸較小。表明不同的陰離子對(duì)晶體的形貌產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。為測(cè)試兩者的電化學(xué)性能，對(duì)帶狀SnO2和球型SnO2進(jìn)行了充放電性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，帶狀SnO2和球型SnO2都具有較高的初始放電容量，分別達(dá)到1500和1640mAh·g-1