纳米结构锂离子电池负极材料的设计、制备及性能研究

【摘要】：锂离子电池因其优异的综合性能受到各国研究工作者和企业的广泛重视。在锂离子电池的发展进程中，电极材料己经成为制约锂离子电池大规模推广应用的瓶颈，随着各种（手机、数码相机、手提电脑等）中小型便携式电子产品以及电动自行车的推广普及，新一代电动汽车及混合动力汽车的商品化开发，对锂离子电池的能量密度及性能提出更高的要求，特别是传统的碳系负极材料在比容量、比能量等方面已经不能满足下一代新型锂离子电池负极材料的需要，因此，开发新型高比容量、高稳定性、高安全性、长寿命、低成本的锂离子电池负极材料显得尤为迫切。而锡基氧化物和铁氧化物由于具有较高理论容量，价格低廉、环境友好等优点成为锂离子电池负极材料关注的焦点。但这些材料目前还存在着利用率低、倍率放电性能差、循环寿命短等问题。而电极材料的纳米化和结构功能化认为是解决这些问题的有效方法，同时纳米电极材料的晶体结构、形貌及大小等对其电化学性能均有重要影响。 因此，如何实现锂离子电池电极材料的纳米化和功能化将是一个很有意义的研究课题。所以本文开展了空心SnO_2@C复合纳米球，菱形Fe_2O_3纳米粒子和不同形貌Fe_3O_4@C复合纳米材料的制备、表征以及电化学性能研究，并对纳米体系中电极材料大小和形貌对电化学性能影响进行讨论。主要工作分为以下几部分： 1．以二氧化硅为模板，采用水热法制备单分散、粒径及厚度均一的空心SnO_2纳米球，并以PAA为碳源，采用一种简便的方法，在水和异丙醇混合溶剂中合成单分散离心核壳结构SnO_2@PAA空心纳米球，并进行煅烧，成功制备高分散性核壳结构SnO_2@C空心纳米球。并通过x射线粉末衍射(XRD)、红外光谱（FTIR）和透射电镜（TEM）对合成材料进行表征。电化学性能测试结果表明，在105mA g~(-1)的倍率下SnO_2@C复合空心纳米球初次放电容量达到1009mAhg~(-1)，经过100个循环放电容量仍保持在808mAh g~(-1)，在倍率性能测试中SnO_2@C复合空心纳米球也有上佳表现。 2．以阳离子表面活性剂(CTAB)为模板，采用水热法制备不同大小菱形-Fe_2O_3材料。并对纳米级与微米级-Fe_2O_3材料进行电化学性能测试，结果表明纳米级材料相比微米级材料在容量及循环性能上具有明显优势。相同情况下纳米电极材料在50次循环后容量保持率达73%，而微米材料则仅为50%，表明电极材料的纳米化是提升电池材料电化学行为的有效途径。 3．利用高温水解法，以无水FeCl3为原料合成尺寸均一、分散性好的-Fe_2O_3纳米球。随后以PAA为碳源，通过对烧结温度和时间的调控，实现了球状，链状及环状Fe_3O_4@C复合材料的可控合成，并对其电化学性能进测试，讨论其结构对电化学性能的影响。研究结果表明纳米粒子的再组装产生的环状和链状Fe_3O_4@C复合材料与单分散球形Fe_3O_4@C相比，具有内阻小，容量高，稳定性好等特点，同时表明纳米粒子的再组装也是提高材料电化学性能的有效手段。