过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展

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1、过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展摘要：锂离子电池具有体积小、质量轻、比能量高、无污染等优点，一直是各国研发的重点领域之一。锂离子电池主要是由电池壳、电极材料、电解质、隔膜等组成，而电极材料的性能好坏决定了锂离子电池的性能。锂离子电池负极材料的研究中，NiO是具有广泛应用前景的负极材料，因为其由高比容量、无毒、价廉的优点。本文主要内容是讲述了不同NiO的制备方法以及制备NiO与其它材料的复合材料并对其电化学性能进行研究。关键字：锂离子电池；负极材料；过渡金属氧化物；NiO随着当今社会生产力高速发展，人们对能源的需

2、求量不断增大，而地球资源有限，使人们在提高石油、煤、天然气等传统能源利用率的同时致力寻找新的代替能源。金属锂在所有金属中具备质量轻、氧化还原电位低、质量能量密度大等优势，所以锂电池成为了可代替能源之一。锂离子电池的电化学性能主要是取决于其正负极材料和电解质材料的结构和性能，尤其是正负极材料的选择和质量直接决定着锂离子电池的特性和价格[1]。价格低、性能高的正负极材料的研发和合适的电解质的选用一直是锂离子电池研究的中心。自20世纪90年代锂离子电池问世以来，一直是碳材料作为商用的负极材料，但是伴随着对锂离子电池在储能、寿命和功

3、率方面要求的增加，而碳负极材料的理论容量仅为372mAh/g，已经不能满足要求。因此，发展锂离子电池关键技术的当务之急是开发具有优异性能的电极材料。过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料主要包括NaCl结构的金属氧化物如MnO、NiO、FeO、CoO和CuO2，及其高价氧化物MnO2、Fe2O3、Fe3O4、Co3O4和CuO。过渡金属氧化物的储锂可逆反应式如下：(1)CoO和Co3O4作为锂离子电池负极材料的理论容量分别是715mAh/g和890mAh/g。CoO负极材料在30次循环后放电容量趋于稳定为300mAh/g。核壳

4、结构的CoO石墨烯复合材料表现出良好的稳定性能，具有50wt.%CoO的复合材料在电流密度为100mA/g下50次循环后放电容量达到584mAh/g，容量保留率为95%。Yu等[2]合成的泡沫镍为基体CoO/Li2O复合材料首次放电容量为903mAh/g，首次循环容量损失率为16.4%，100次循环后放电容量仍能达到877mAh/g具有良好的循环稳定性。通过多步骤水热法制备的CoO纳米棒和碳纳米管自组装形成核壳结构的复合材料200次循环后放电容量达到703-746mAh/g，5C电流密度下每次循环容量损失率为0.029%，具

5、有良好的循环稳定性。Co3O4具有较高的理论容量而被人们广泛研究，首次放电容量高于1000mAh/g，首次充电容量为700mAh/g左右，库伦效率为69%。但是其展示了良好的循环稳定性，0.2C电流密度下，100次循环后容量保留率为93.4%。Yuan等发现纳米Co3O4颗粒的容量与颗粒大小有关，随着Co3O4颗粒增大循环稳定性增加，但容量逐渐减小。Yao等[3]通过研究发现Co3O4纳米线的可逆容量要高于Co3O4纳米颗粒。Au-Co3O4纳米线复合材料的可逆容量很高，8次循环之后仍达到1000mAh/g以上。针状Co3O

6、4纳米管首次放电容量为950mAh/g，30次循环后容量为918mAh/g，每次循环容量衰减0.1%，但是在电流密度为50mA/g下80次循环后容量衰减到380mAh/g[4]。Co3O4纳米棒/石墨烯纳米复合材料展示了优良的循环稳定性能和高放电容量，在电流密度为100mA/g下循环40次的放电容量是1310mAh/g，在电流密度为1000mA/g下循环40次的放电容量是190mAh/g，具有高倍率性能[5]。此外，Co3O4薄膜也展示了较好的电化学性能。CuO作为锂离子电池负极材料具有高容量，对环境无毒性的优点，其理论容量

7、为674mAh/g。其做负极材料在首次放电曲线中，出现了三个平台分别在2.2-1.9，1.1-1.0和1.0-0.02V，在充电曲线中同样也出现三个不同的电位平台，首次充放电容量分别为400和700mAh/g，生成的Cu纳米颗粒被氧化为Cu2O而不是CuO导致循环中的电化学反应时不可逆的。粒径为0.5μm的CuO负极材料50次循环后可逆容量由400mAh/g衰减为200mAh/g。Morales等[6]通过研究发现纳米结构的CuO薄膜100次循环后容量为625mAh/g。此外纳米结构的CuO材料，例如纳米线、纳米带展示了较高

8、的可逆容量和稳定的循环性能。超细CuO纳米线（~5nm）0.3C电流密度下70次循环的容量为660mAh/g。CuO纳米带在175次循环的容量为608mAh/g，400mA/g电流密度下可逆容量达到417mAh/g。另外，Lu和Wang[7]通过研究发现石墨烯纳米片为基底的梭状纳米CuO复