新型金屬氧化物納米復(fù)合材料的制備及其儲(chǔ)能性能的研究.pdf

1、隨著人類對石油等傳統(tǒng)不可再能源的不斷消耗以及環(huán)境污染的加劇，清潔、高效以及環(huán)境友好的新型能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存設(shè)備越來越受到全球的重視。近年來，鋰離子電池作為新型的供能裝置，以其能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低以及對環(huán)境污染小等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦等小型便攜設(shè)備中，并逐步向高功率系統(tǒng)的電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的碳類負(fù)極材料相比，過渡金屬氧化物負(fù)極材料具有更高的理論比容量，因此一直受到很大的關(guān)注。然而，過渡金屬氧化物材料在

2、鋰離子的嵌入與脫出過程中不可逆的體積變化，使其比容量快速衰減，導(dǎo)電性能、倍率性能也較差。目前，通過將材料構(gòu)建成不同形貌和尺寸的納米級材料以及與其它材料進(jìn)行復(fù)合等方法來改善負(fù)極材料的電化學(xué)性能。
　　本論文立足于過渡金屬氧化物為研究對象，制備出Co3O4納米粒子、MoS2/Co3O4納米復(fù)合物、NiCoO2納米片和RGO/NiCoO2納米復(fù)合物。采用X-射線粉末衍射、掃描電鏡、透射電鏡、氮?dú)馕絻x、拉曼等表征方法對合成材料的晶體結(jié)構(gòu)

3、、形貌特征、粒子尺寸和比表面積等進(jìn)行了研究和分析。并通過循環(huán)伏安，阻抗以及恒流、倍率充放電等測試系統(tǒng)，對單體和復(fù)合材料的電化學(xué)性能進(jìn)行探究和分析。主要工作分為以下兩個(gè)部分:
　　1.根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用簡單的水溶液法，制備出尺寸較小的Co3O4 NPs。將MoS2粉末分散在N-甲基吡咯烷酮溶劑(NMP)中，采用液相超聲剝離法，將MoS2粉末剝離成超薄的MoS2納米片，再與Co3O4 NPs進(jìn)行復(fù)合，成功制備MoS2/Co3O4復(fù)合材

4、料。XRD和TEM結(jié)果表明，Co3O4 NPs單體結(jié)晶性好，平均粒徑約為12.5 nm，但具有很明顯的聚合現(xiàn)象。而合成的MoS2/Co3O4復(fù)合材料有效地改善了Co3O4 NPs的團(tuán)聚，Co3O4 NPs可以均一地分散在MoS2納米片的表面上。Co3O4 NPs單體和MoS2/Co3O4復(fù)合物都具有較高的比表面積，分別為104.3m2g-1和88.6 m2 g-1。將材料作為鋰離子電池負(fù)極材料，測試結(jié)果表明，與Co3O4NPs單體相比，

5、MoS2/Co3O4復(fù)合材料顯示出較好的電化學(xué)性能。在電流密度為200 mA g-1時(shí)，其首次放電比容量為1926mAh g-1，循環(huán)50圈后，容量為1100mAhg-1，循環(huán)100圈后，容量仍保持在920mAhg-1。在500 mA g-1的高電流密度下，循環(huán)50圈后，其容量基本維持在947mAh g-1，并且循環(huán)過程的庫倫效率幾乎都達(dá)到98％。由此推測，設(shè)計(jì)的MoS2/Co3O4復(fù)合物結(jié)構(gòu)，不僅能夠最大化地利用MoS2和Co3O4的

6、電化學(xué)活性，而且能夠通過兩種材料之間的協(xié)同作用，為鋰離子的嵌入提供更多額外的空間，同時(shí)也能夠在一定程度上調(diào)整體積的改變。
　　2.以Co(NO3)2·6H2O和Ni(NO3)2·6H2O為原料，聚苯乙烯微球(PS)為基底，通過簡單的溶液法合成PS-NiCo前驅(qū)體，在空氣氛圍中煅燒，PS完全分解，得到超薄的NiCoO2納米片，將其與通過改進(jìn)的Hummers法合成的氧化石墨烯(GO)復(fù)合，在N2氛圍中退火處理，GO被部分還原為還原氧化

7、石墨烯(RGO)，得到RGO/NiCoO2納米復(fù)合物。表征結(jié)果表明，在犧牲PS的作用下，合成的NiCoO2納米片形貌規(guī)整，尺寸均一，為超薄層狀結(jié)構(gòu)。與RGO復(fù)合，形成層包層復(fù)合結(jié)構(gòu)。電化學(xué)測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與NiCoO2納米片單體相比，RGO/NiCoO2電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在200 mA g-1的恒定電流密度下，RGO/NiCoO2電極首次放電比容量為1646 mAh g-1，循環(huán)50圈后，容量仍可以達(dá)到1200 mAh g-1;