基于金屬鉍及其氧化物的鋰離子、鈉離子電池負(fù)極材料的研究.pdf

1、隨著能源問題日益嚴(yán)峻、電動(dòng)汽車和移動(dòng)電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，新型二次可充鋰離子、鈉離子電池因其清潔、高效、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)備受矚目。研究高能量密度、體積密度、高安全性、柔性和低成本的電池負(fù)極材料，是二次可充鋰離子、鈉離子電池發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題。多種新型高體積密度負(fù)極納米材料，如鉍、三氧化二鉍、鉍酸銅和氧化銅，具有安全穩(wěn)定、低成本和易合成等優(yōu)勢(shì)，有望發(fā)展成為下一代商業(yè)化鋰離子/鈉離子電池負(fù)極材料。本論文以上述負(fù)極材料為研究對(duì)象，以優(yōu)化其電化

2、學(xué)性能為目的，通過(guò)提高材料的導(dǎo)電性和構(gòu)筑納米電極材料，探索了多種納米材料的制備方法，有效的提升了材料的循環(huán)性能和倍率性能。
　　(1)基于一維Bi/C納米線的鋰離子、鈉離子電池負(fù)極材料：本論文通過(guò)溫和的靜電紡絲方法制備了一維Bi/C納米線材料，并系統(tǒng)地研究了碳納米線中不同Bi含量對(duì)鋰離子和鈉離子電池性能的影響。Bi/C納米線的結(jié)構(gòu)和形貌表明Bi納米粒子均勻地嵌入在碳納米線內(nèi)，且Bi粒子的直徑在20nm左右。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明：Bi

3、/C材料具有優(yōu)越的循環(huán)性能和倍率性能：500圈循環(huán)之后，作為鋰離子電池負(fù)極仍然具有316.7mA h g-1的高容量，容量保持率在83％左右；作為鈉離子電池負(fù)極時(shí)，500圈循環(huán)之后具有273.2mA h g-1的容量，容量保持率為72%。Bi/C納米線優(yōu)越的電化學(xué)性能主要?dú)w因于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：Bi納米粒子均勻的嵌入在碳納米線內(nèi)，有效的阻止了Bi納米粒子的團(tuán)聚和充放電過(guò)程中的體積膨脹；碳作為電子的優(yōu)良的導(dǎo)體，使Bi/C電極在充放電過(guò)程中具

4、有更高的電子傳遞速率。
　　(2)基于Bi2O3/C柔性、無(wú)粘結(jié)劑、自支撐膜的鈉離子電池負(fù)極材料：以一維Bi/C納米材料為基礎(chǔ)，我們通過(guò)低溫氧化合成了Bi2O3/C柔性、無(wú)粘結(jié)劑、自支撐膜并將其應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極材料。作為柔性、無(wú)粘結(jié)劑的負(fù)極材料，Bi2O3/C電極在100mA g-1、循環(huán)200圈之后仍具有430mA h g-1的容量；在電流密度高達(dá)3200mA g-1下，容量達(dá)到230mA h g-1。在全電池的測(cè)試中，Bi

5、2O3/C電極在400mA g-1、50圈循環(huán)之后的容量為252mA h g-1。Bi2O3/C電極的優(yōu)秀電化學(xué)性能可歸因于一維碳納米線構(gòu)成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以及超細(xì)Bi2O3納米粒子(~10nm)均勻的分散在碳納米線內(nèi)的協(xié)同作用，使柔性Bi2O3/C具有優(yōu)越的循環(huán)性能和倍率性能。
　　(3)基于三維層級(jí)CuBi2O4微球的高溫鋰離子電池負(fù)極材料：我們通過(guò)溫和、環(huán)境友好的水熱法合成了三維層級(jí)CuBi2O4微球，并首次應(yīng)用于高溫鋰離子電

6、池負(fù)極材料。CuBi2O4微球的尺寸約2.0~4.0μm，由直徑為50~60nm的四方晶系納米粒子組成。CuBi2O4微球的電化學(xué)性能顯示出了強(qiáng)烈的溫度依賴性。當(dāng)溫度升高到70°C時(shí)，CuBi2O4微球在100mA g-1、循環(huán)500圈之后的容量高達(dá)525.1mA h g-1。在高電流密度(6.4A g-1)循環(huán)之后，CuBi2O4微球電極仍具有585mA h g-1的容量。CuBi2O4微球優(yōu)越的高溫電化學(xué)性能主要?dú)w因于微球的層級(jí)結(jié)構(gòu)

7、和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。
　　(4)基于中空多孔結(jié)構(gòu)的CuO/C微立方體的鋰離子電池負(fù)極材料：我們以[Cu3(btc)2]n為模板，優(yōu)化煅燒時(shí)間和溫度制備了中空多孔結(jié)構(gòu)的CuO/C微立方體復(fù)合材料。SEM和TEM結(jié)果表明制備的CuO/C微立方體為均一的中空多孔結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，中空多孔CuO/C微立方體電極在電流密度100mA g-1、循環(huán)200圈之后的容量為510.5mA h g-1。由于中空多孔結(jié)構(gòu)提供更高的比表面積和復(fù)合材