尖晶石型鋰離子電池負極材料AB2O4的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、在便攜式電子設(shè)備和高能源領(lǐng)域中如電動汽車、混合動力電動汽車和插電式混合動力電動汽車，鋰離子電池已成為極其重要的電源。為了滿足這些需要，需進一步提高鋰離子電池的能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。鋰離子電池的性能主要取決于電極材料的選擇以及材料的形貌和尺寸。納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物如Co3O4、Fe3O4、MnO2、Mn3O4，因為納米結(jié)構(gòu)能夠提供大的比表面積、縮短Li+的傳輸路徑、緩沖Li+嵌入和脫出中引起的體積膨脹且能提高其動力學(xué)性能，所以是

2、一種很有前途的鋰離子二次電池負極材料的替代品。且與常規(guī)的碳負極材料相比，納米結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物有更高的放電容量。然而，在鋰離子的循環(huán)過程中，這些簡單的金屬氧化物有許多缺點如在鋰離子的嵌入和脫出中有大的體積變化且循環(huán)性能較差。最近，尖晶石型二元過渡金屬氧化物AB2O4可以在一定程度上克服上述問題且有相對優(yōu)異的循環(huán)性能。因此，本文主要研究了中空CoMn2O4、中空ZnFe2O4、中空-核殼ZnCo2O4和中空-核殼ZnMn2O4的制備及其電

3、化學(xué)性能。主要內(nèi)容如下：
　　(1)以Co(Ac)2·4H2O和Mn(Ac)2·4H2O為原料，乙二醇為溶劑，采用簡單的一步溶劑熱法成功地合成了CoMn2O4微球。使用X射線衍射和透射電子顯微鏡對合成的產(chǎn)物進行物相和形貌分析。采用藍電測試系統(tǒng)對產(chǎn)物進行電化學(xué)性能測試，結(jié)果表明，當(dāng)CoMn2O4微球用作鋰離子電池負極材料時，在電流密度為100 mA/g的條件下，其首次放電容量為1500 mAh/g，50次充放電循環(huán)后容量仍保持在86

4、3 mAh/g左右并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出良好的循環(huán)性能。
　　(2）以Zn(Ac)2·4H2O，F(xiàn)eCl3·6H2O為主要原料，采用簡單的一步溶劑熱法成功合成了中空結(jié)構(gòu)的ZnFe2O4微球。使用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、熱重分析等測試手段對合成產(chǎn)物的物相、形貌和組成進行分析。結(jié)果表明：得到的中空ZnFe2O4粒徑約為300 nm，殼厚約為25 nm。電化學(xué)性能測試表明：當(dāng)中空ZnFe2O4微球用作鋰離子電池負極材料時

5、，在電流密度為100 mA/g的條件下，其首次放電容量為1546 mAh/g，50次充放電循環(huán)后容量仍保持在826 mAh/g左右并趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能。
　　(3)通過新穎的兩步法制備出了核殼結(jié)構(gòu)ZnCo2O4微球。第一步是用PVP作為絡(luò)合劑合成了金屬乙醇酸鹽前驅(qū)體。第二步是在1℃/min的升溫速率下在空氣中500℃煅燒2 h形成了核殼結(jié)構(gòu)ZnCo2O4微球。分別用X射線衍射和透射電子顯微鏡來表征產(chǎn)物的晶相和形貌，結(jié)果

6、表明，核殼結(jié)構(gòu)ZnCo2O4微球的外殼層厚度約為55 nm，內(nèi)部核的粒徑約為600 nm。當(dāng)用作鋰離子電池負極材料時，ZnCo2O4樣品在100 mA/g的電流密度下放電容量高達1484 mAh/g，50次循環(huán)后容量仍保持在1052 mAh/g。因此，有優(yōu)異電化學(xué)性能的核殼結(jié)構(gòu)ZnCo2O4微球是很有前途的高能鋰離子電池負極材料。
　　(4)通過溶劑熱碳模板法然后經(jīng)過后續(xù)煅燒過程成功合成了中空-核殼ZnMn2O4微球。運用X射線衍