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金属氧化物及其复合物的设计、制备及其锂电性能研究

李雪原  
【摘要】:随着化石等非再生能源的枯竭、新能源汽车的兴起,商业化的锂离子电池已经广泛应用于日常生活中的各个方面,即使如此,具有更高能量密度、更长使用寿命的高性能锂离子电池材料的研究仍是能源领域中的研究热点。在本论文中,采用金属有机框架材料为牺牲模板,分别制备了CuO@多孔碳纳米复合物、MnO@多孔碳纳米复合物以及MnO@氮掺杂多孔碳纳米复合物,通过各种显微表征手段对其形貌和微观结构进行研究和调控,并以其为锂离子电池负极材料,优化其锂离子存储性能,论文取得的主要研究结果如下:首先,通过全水系合成HKUST-1前驱体,利用SEM和XRD对所制备的样品进行表征;随后在氩气保护气氛中对HKUST-1前驱体进行高温热解处理,最后在空气中进行低温煅烧处理,获得CuO@多孔碳纳米复合物;将其作为负极材料组装锂离子电池。电化学性能测试结果表明:CuO@多孔碳纳米复合物作为负极材料,在0.1A g~(-1)的电流密度循环时,首圈放电容量为622.5 mAh g~(-1),首圈充电容量612.6mAh g~(-1),首圈的库伦效率为98.41%。在经历过一百多次循环后CuO@多孔碳纳米复合物电极仍保持较高的充放电容量。其次,成功制备Mn-BTC纳米线,在氩气气氛中对Mn-BTC纳米线进行高温热解处理,获得MnO@多孔碳纳米复合物,研究不同退火温度对MnO@多孔碳纳米复合物显微结构的影响,以其作为锂离子电池负极材料,通过电化学性能测试,获得锂离子电池性能最优的材料。研究结果表明:经过800℃热解获得的复合物倍率性能最佳,在100,200,500,1000,2000,5000,100 mA g~(-1)的电流密度下分别达到了714,603,539,483,421,336,672 mAh g~(-1)放电比容量。最后,在Mn-BTC纳米线氩气保护高温热解的基础上,在优化的高温热解温度下,对Mn-BTC纳米线在氨气气氛中进行高温热解处理,得到了MnO@氮掺杂多孔碳纳米复合物,对其进行电化学性能测试,分别在100,200,500,1000,2000,5000,100 mA g~(-1)的电流密度下分别达到了818,741,651,588,521,411,794mAh g~(-1)放电比容量,可以明显看出掺杂氮以后的复合材料倍率性能得到进一步提高。


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