三維有序大孔金屬氧化物的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池是應(yīng)用和開發(fā)前景最好的一種電源,已廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備。選取良好的負(fù)極材料是改善和提高鋰離子電池容量和循環(huán)性能關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的碳負(fù)極材料較低的比容量和較差的安全性己成為進(jìn)一步提高電池整體性能的瓶頸。因此,世界范圍內(nèi)正在努力尋求替代石墨的新型鋰離子電池負(fù)極材料。納米金屬氧化物電極材料因其較高的充放電容量和較好的應(yīng)用安全性成為關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
　　近來研究表明,三維有序大孔(3DOM)電極材料因具有較大的比表面積和較

2、薄孔壁產(chǎn)生了更多的Li+嵌入活性位,縮短了Li+擴(kuò)散路徑;從而減少了電極極化,提高材料的倍率性能。結(jié)合3DOM材料及金屬氧化物的優(yōu)點(diǎn),相信鋰離子電池3DOM金屬氧化物負(fù)極材料有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文綜述了鋰離子電池負(fù)極材料和三維有序大孔材料的研究進(jìn)展。通過膠晶模板法,分別制備了3DOM SnO2、α-Fe2O3、CoFe2O4等金屬氧化物負(fù)極材料,運(yùn)用XRD、SEM、TEM、IR、BET、TG-DTA等測(cè)試技術(shù)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和

3、微觀形貌進(jìn)行了分析和表征。采用恒電流充放電、循環(huán)伏安(CV)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)等技術(shù)對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。本論文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.采用乳液聚合的方法制備了275±10 nm聚苯乙烯(PS)微球乳液,通過自然沉降和離心兩種方法將微球排列成PS膠晶模板,SEM分析表明膠晶模板在大面積范圍內(nèi)呈多層、有序、規(guī)則緊密排列,缺陷較少,層次感較強(qiáng)。
　　2.以SnCl2·2H2O的乙醇溶液為前軀體,制備了3DOM Sn

4、O2納米電極材料。SEM分析表明所制備的樣品具有多層三維有序大孔的結(jié)構(gòu),孔徑215±10 nm之間,孔壁厚度約為20～30 nm。TEM圖片顯示孔壁由SnO2納米晶粒組成,單孔為圓形或六邊形形貌。當(dāng)3DOM SnO2電極以0.2 C電流密度在0.01～2.0 V范圍內(nèi)充放電測(cè)試。首次可逆容量高達(dá)769 mAh·g-1,容量隨循環(huán)次數(shù)增加而衰減。若充放電范圍為0.01～0.8 V,20次循環(huán)后可逆容量保持在457 mAh·g-1。另外,通

5、過循環(huán)伏安曲線和微分電容曲線分析,研究了3DOM SnO2與Li+的反應(yīng)機(jī)理。
　　3.以Fe3+的乙二醇-甲醇混合溶液為前驅(qū)體,制備了3DOMα-Fe2O3。SEM圖顯示3DOMα-Fe2O3具周期性空隙結(jié)構(gòu);單孔孔徑為115±10 nm,孔壁厚度約為20～30 nm。電化學(xué)研究表明,以50 mA·g-1電流密度在0.01~3.0 V范圍內(nèi)進(jìn)行充放電測(cè)試。首次放電充電容量分別達(dá)到1880和1130 mAh·g-1,20次循環(huán)后可

6、逆容量為首次可逆容量的56％,表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能。
　　4.以總濃度為1.5 mol/L的混合金屬離子(Co2+:Fe3+=1:2,摩爾比)的乙二醇-甲醇溶液為前驅(qū)體,制備了3DOM復(fù)合過渡金屬氧化物CoFe2O4。SEM圖分析表明3DOM CoFe2O4單孔為六邊形形貌,孔徑為125 nm左右,三維通道證實(shí)各個(gè)單孔是相互交聯(lián)在一起。BET測(cè)試3DOM CoFe2O4的比表面積高達(dá)66.67 m2·g-1,遠(yuǎn)高于CoFe2O4