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金属氧化物及含氧酸盐纳米结构的设计合成及其在锂离子电池中的应用

作　者: 王琳琳
导　师: 唐凯斌
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 无机化学
关键词: 锂离子电池多孔结构氧化物含氧酸盐纳米材料 CuO CdSnO3 ZnSn（OH）6 热分解光催化活性
分类号: TM912
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

鉴于金属氧化物及含氧酸盐诸多材料在新能源领域、光催化领域、生物医学等方面有着广泛的应用,我们致力于控制合成组装、多孔或空心的金属氧化物及含氧酸盐材料。一方面,将其作为锂离子电池负极材料,以解决它们因存在利用率低和极化严重等原因造成循环寿命较短,实际容量和能量密度与理论值有较大差距的问题,探索具有长寿命、高功率、大容量特点的负极材料。另一方面研究它们作为光催化材料在光催化领域中的应用。本论文的详细内容概括如下：1.采用一个简单、友好的两步合成过程成功大批量制备了纳米品组装的CuO束状结构。通过对前驱体Cu(OH)2的热解获得束状CuO的纳米粒子,其作为锂离子电池的负极材料具有相当高的比容量,好的稳定性,尤其是在高倍率下,优于绝大多数报道的氧化铜CuO及CuO/C负极材料。CuO的组装结构使其在0.3C,1C,2C倍率下充电/放电循环50圈后容量分别达到666,609,499mAh g-1。甚至在6C高倍率下,其容量仍高达361mA h g-1。我们观察到纳米晶组装的束状CuO电极比CuO纳米粒子(束状CuO纳米结构经研磨后获得)电极的电化学性能更好。通对分析循环前后极片的XRD测试结果,得出可逆反应程度是影响CuO性能的直接原因,发生在CuO组装结构中的转化反应具有更好的可逆性,从而导致其具有更高倍率容量和循环性能。更好的可逆性源于组装结构有利于活性物质CuO和电解液之间更有效的接触,提高了Li1的传输能力。此外,多孔组装的CuO束状纳米结构还可以缓冲Li+嵌入/脱嵌过程中引起的体积膨胀,这也有助于其电化学性能的提高。2.各种CuO纳米结构作为锂离子电池负极材料已经得到了很好的研究,然而,将多孔CuO纳米结构用于负极材料,尤其是一维(1D)多孔CuO,却鲜有报道。在这项工作中,我们采用一个新的、简单的方法大批量制备了1D高度介孔CuO纳米棒,孔的尺寸可以通过改变煅烧温度来控制。我们将介孔CuO材料用作锂离子电池负极材料,并观察了孔尺寸对其电化学性能的影响。孔径范围为6nm-22nmCuO纳米棒状结构表现出高的比容量,好的循环稳定性,和高的倍率性能,优于绝大多数报道的CuO纳米化合物。这个高度介孔CuO材料在0.5C倍率下充放电电循环200圈后可逆容量为654mAhg-1。它也具有高的倍率容量,在6C倍率下,其比容量为410mAhg-1。这些结果表明通过简易合成法制备的孔径可调的CuO纳米结构实现了长的寿命循环和高的可逆容量,非常适用于作为下一代高性能锂离子电池负极材料。3. CdSnO3作为气敏材料已被广泛研究。然而,将多孔CdSnO3纟内米结构用作储能材料却鲜有报道。在这个]：作中,我们制备合成了孔径范围大约为7.8nm-28.7nm的CdSnO3多孔纳米结构,并将其用作锂离子电池负极材料。电化学测量结果表明,相比未加柠檬酸制备的CdSnO3纳米粒子{可逆容量(370mA h g-1,40圈)和倍率性能(364mA h g-1,150mA g-1))},用柠檬酸制备的高度介孔的CdSnO3纳米粒子具有更高的可逆容量(515mAh g-1,40圈)和倍率性能(506mA h g-1,150mA g-1),同时,孔径范围大约为7.8nm-28.7nm的CdSnO3介孔纳米结构的电化学性能也优于一些文献报道的CdSn03纳米结构的性能。4.非球形单品空心颗粒的合成,尤其是复杂的空心化合物的合成仍然是一个重大的挑战。在我们的工作中,室温条件下,通过简易自模板方法首次制备了单晶ZnSn(OH)6(ZHS)空心立方体结构。通过进行X射线衍射、X光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电镜等一系列表征发现ZHS空心立方体的形成经过了两步过程,首先在碱性条件下,锌(Ⅱ)和锡(Ⅳ)共沉淀形成实心的ZHS立方体,然后以自身为模板通过碱协助溶解过程并获得ZHS空心立方体。在这个过程中,第二步中加入的NaOH溶液是形成ZHS空心结构的关键。实验测试了ZHS空心立方体结构对苯酚降解的光催化活性,结果显示它比实心ZHS立方体结构具有更高的催化活性。四次循环测试后,ZHS空心立方体结构的光催化活性没有明显的降低。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-34
  1.1 锂离子电池的概述  13-25
    1.1.1 锂离子电池的发展  13-17
    1.1.2 锂离子电池发展面临的问题  17-18
    1.1.3 负极材料  18-23
    1.1.4 正极材料  23-25
  1.2 纳米材料  25-27
    1.2.1 纳米材料的概述  25-26
    1.2.2 纳米材料在锂离子电池中的应用  26-27
    1.2.3 纳米材料其它应用  27
  1.3 本论文的选题背景和主要研究内容  27-29
    1.3.1 论文的选题背景  27-28
    1.3.2 主要研究内容  28-29
  参考文献  29-34
第二章简易制备纳米晶组装的CuO束状纳米结构及提升的电化学性能  34-50
  2.1 引言  34-35
  2.2 实验部分  35-36
    2.2.1 试剂  35
    2.2.2 样品制备  35
    2.2.3 产物表征  35-36
    2.2.4 电化学性能测试  36
  2.3 结果与讨论  36-47
  2.4 本章小结  47-48
  参考文献  48-50
第三章简易制备1D高度介孔的CuO纳米棒状结构及电化学性能研究  50-64
  3.1 引言  50-51
  3.2 实验部分  51-53
    3.2.1 试剂  51-52
    3.2.2 样品制备  52
    3.2.3 产物表征  52
    3.2.4 电化学性能测试  52-53
  3.3 结果与讨论  53-61
  3.4 木章小结  61-62
  参考文献  62-64
第四章高度介孔的CdSnO_3纳米粒子的制备及其电化学性能研究  64-75
  4.1 引言  64-65
  4.2 实验部分  65-66
    4.2.1 试剂  65
    4.2.2 样品制备  65
    4.2.3 产物表征  65-66
    4.2.4 电化学性能测试  66
  4.3 结果与讨论  66-71
  4.4 本章小结  71-73
  参考文献  73-75
第五章单晶ZnSn(OH)_6空心立方体的室温合成及光催化性能研究  75-90
  5.1 引言  75-76
  5.2 实验部分  76-77
    5.2.1 试剂  76
    5.2.2 样品制备  76
    5.2.3 产物表征  76
    5.2.4 光催化性能测试  76-77
  5.3 结果与讨论  77-87
  5.4 本章小结  87-88
  参考文献  88-90
第六章总结与展望  90-92
攻读博士学位期间发表的论文与取得的其它研究成果  92-94
致谢  94-95

金属氧化物及含氧酸盐纳米结构的设计合成及其在锂离子电池中的应用

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