多孔过渡金属氧化物、碳材料的设计合成及其在锂离子电池中的应用

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1、分类号O614单位代码10447密级无学号1410120101硕士学位论文多孔过渡金属氧化物、碳材料的设计合成及其在锂离子电池中的应用DesignandSynthesisofPorousTransitionMetalOxidesandCarbonMaterialsforLithium-IonBatteryApplications研究生姓名孙元伟专业名称无机化学指导教师姓名张宪玺副教授学院化学化工学院论文提交日期2017年6月原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究

2、成果，也不包含为获得聊城大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。学位论文作者签名：日期导师签名：日期学位论文使用授权声明本学位论文作者完全了解聊城大学有关保留、使用学位论文的规定，即：聊城大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权聊城大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。学位论文作者签名：日期导师签名：日期聊城大学硕士学位论文摘要过渡金属氧化物材料具有理论容量高、储

3、量丰富、环境友好等优点，是代替商业石墨类负极材料的新一代负极材料，但导电性差、首次充放电效率低和锂离子嵌入和脱嵌过程中体积变化明显等问题制约了其在现实中的应用。天然碳材料储量丰富、无污染等优点，也被认为是替代石墨的理想负极材料，但其导电性差，理论容量低等缺点同样制约其实际应用。本论文从提高电极材料的导电性和优化结构出发，采用盐焙法、配合物热分解法、生物模板法、溶剂热和天然产物功能化等方法制备了一系列纳米负极材料并研究其电化学性能。主要研究内容和结果如下：(1)通过新颖盐焙法合成Mn3O4@C、MoO3@C多孔纳米复合材料。以氯化钠作为保护层和硬模板，利用氯化钠高的比热容量和

4、热稳定性的优点，在空气中直接热分解乙酰丙酮锰，实现了Mn3O4@C多孔复合纳米结构的制备。所制备的Mn3O4@C多孔纳米复合材料表现出优异的电化学性能，在电流密度为1Ag-1下，循环950圈后，仍然具有754.4mAhg-1的比容量。利用该方法还实现了MoO3@C多孔纳米复合材料的合成，该电极材料在4Ag-1的大电流密度下，循环500圈后，仍能保持411.1mAhg-1的比容量；在10Ag-1的倍率下，仍然具有291.8mAhg-1的比容量。(2)通过生物模板法制备氧缺陷型α-Fe2O3-δ多孔纳米结构。针对α-Fe2O3自身导电性和循环性能较差的缺点，从改善α-Fe2O3

5、自身结构出发，设计合成了氧缺陷型α-Fe2O3-δ。实验中以天然椰子壳为模板，通过物理吸附的方法将Fe(OH)3胶体吸附至椰壳表面。进而在空气中煅烧分解上述复合物，利用原位碳热反应实现氧缺陷型α-Fe2O3-δ多孔纳米结构的合成。氧缺陷的引入有效提升了α-Fe2O3的导电性，使其电化学性能显著增强，在1Ag-1的电流密度下，循环900圈，仍能保持1062.6mAhg-1的比容量。(3)针对尖晶石型NiCo2O4充放电过程中容量衰减快等问题，从增加材料的结构稳定性出发，设计合成了具有花状形貌的NiCo2O4纳米结构。采用溶剂热的方法，通过控制反应时间，实现了花状结构Ni-Co

6、前驱体的形貌控制性合成，热分解得到多孔花状NiCo-12O4纳米材料。制备的NiCo2O4在1Ag的电流密度下，循环330圈，仍然具有1128mAhg-1的比容量。在5Ag-1的倍率下，仍然具有948.1mAhi聊城大学硕士学位论文g-1的比容量。(4)通过热分解十一烷胺锰金属配合物制备片状Mn3O4@C多孔纳米材料。以十一烷胺作为配体，以MnCl2·4H2O作为锰源制备了十一烷胺锰金属配合物，通过热分解得到片层Mn3O4@C多孔纳米材料。所制备的Mn3O4@C表现出优异的电化学性能，在2Ag-1的电流密度下，循环2000圈后，仍然具有934.1mAhg-1的比容量。(5)

7、通过天然产物功能化修饰制备N/S共掺杂的C多孔纳米片。以天然杨絮为原料，通过硫脲辅助原位水热碳化法，设计合成了具有多孔片状结构的N/S双掺杂型C。该合成方法有效利用了天然杨絮本身的片层结构，通过N/S双掺杂进一步提升了材料本身的导电性，极大的促进了碳材料电化学性能。该材料表现出优异的循环稳定性，在0.5Ag-1的电流密度下，循环700圈后，仍然具有502mAhg-1的比容量。关键词：盐焙法；配合物；生物模板法；溶剂热；天然产物；电化学性能ii聊城大学硕士学位论文ABSTRACTOwingtoadvantagesof