《四价金属氧化物纳米晶及其复合材料制备与电化学性能研究（学位论文-工学）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《四价金属氧化物纳米晶及其复合材料制备与电化学性能研究（学位论文-工学）（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、学 校 代 码 10530 学 号 201010041200分 类 号 TB34 密 级硕 士 学 位 论 文四价金属氧化物纳米晶及其复合材料制备与电化学性能研究学 位 申 请 人 余 随 淅指 导 教 师 杨利文 副教授学 院 名 称 材料与光电物理学院学 科 专 业 物理电子学研 究 方 向 光电子材料二一三年五月Preparation and electrochemicalperformance of nanostructrued tetravalentmetal oxide and its composite materialCandidate Yu SuixiSupervisor A
2、ssociate Professor Yang LiwenCollege Faculty of Material , Optoelectronics and PhysicsProgram Physical ElectronicsSpecialization Optoelectronic materialsDegree Master of EngineeringUniversity Xiangtan UniversityDate May, 2013摘 要目 前 ， 锂 离 子 电 池 在 人 们 的 学 习 、 生 活 和 工 作 中 起 到 了 不 可 忽 视 的 作 用 ， 从而 对 其 提
3、 出 了 更 高 的 性 能 要 求 。 开 发 比 能 量 高 和 储 存 寿 命 长 的 电 极 材 料 是 当 前 科学 研 究 的 重 点 之 一 。 过 渡 金 属 氧 化 物 以 其 较 高 的 理 论 电 容 、 安 全 无 毒 、 环 境 友 好和 价 格 实 惠 备 受 研 究 工 作 者 的 青 睐 。 然 而 过 渡 金 属 氧 化 物 导 电 性 不 理 想 ， 充 放 电过 程 中 体 积 变 化 等 因 素 使 其 实 际 应 用 的 性 能 不 尽 人 意 。 本 文 以 四 价 金 属 氧 化 物 为研 究 对 象 ， 从 掺 杂 和 复 合 两 个 角 度 去
4、 改 善 金 属 氧 化 物 锂 离 子 负 极 材 料 的 电 化 学 性能 。 采 用 水 热 法 制 备 了 掺 杂 SnO2 纳 米 晶 和 TiO2-Graphene 复 合 材 料 ， 通 过 XRD、EDX、 SEM、 TEM、 Raman、 FT-IR、 UV-vis 等 手 段 对 样 品 进 行 了 表 征 ， 借 助 真空 手 套 箱 组 装 锂 离 子 电 池 ， 并 运 用 电 化 学 工 作 站 和 锂 离 子 电 池 测 试 仪 对 样 品 的 电化 学 性 能 进 行 分 析 。 主 要 结 果 如 下 ：(1)以 SnCl4 为 锡 源 ， Gd3+离 子 为
5、 掺 杂 离 子 ， 油 酸 为 表 面 活 性 剂 ， 通 过 水 热 法制 备 出 不 同 掺 杂 浓 度 的 SnO2 纳米晶。 XRD、 TEM、 Raman、 UV-Vis 等 微 结 构 与谱学测试表明所制备样品为四方晶系金红石型 SnO2， Gd3+离子以替位式掺杂方式 掺 入 SnO2 纳 米 晶 中 。 随 着 掺 杂 浓 度 的 增 加 ， SnO2 由类球状纳米颗粒演变为纳米 棒 ， 并 且 平 均 尺 寸 由 6.2nm 逐渐减小为 4.2nm。 从 表 面 自 由 能 原 理 出 发 ， 解 释了 SnO2 纳 米 棒 的 生 长 机 理 。 电 化 学 性 能 表
6、征 发 现 SnO2 纳 米 棒 的 首 次 充 放 电 容量 、 循 环 稳 定 性 以 及 库 伦 效 率 都 要 高 于 纳 米 颗 粒 ， 并 且 经 过 50 次 循 环 后 SnO2纳 米 棒 的 比 容 量 仍 保 持 有 370mAh/g。 研 究 结 果 表 明 ， 由 于 掺 杂 的 作 用 ， 调 节 了材 料 的 形 貌 和 尺 寸 ， 改 善 了 SnO2 纳 米 晶 的 电 化 学 性 能 。(2)以 非 晶 球 状 TiO2 和 氧 化 石 墨 烯 为 反 应 前 驱 体 ， 一 步 水 热 反 应 制 备 了 自 组织 三 维 TiO2-Graphene 复 合
7、 材 料 。 分 析 了 复 合 材 料 的 结 构 、 形 貌 和 成 分 含 量 ， 表明 锐 钛 矿 型 TiO2 微 米 球 单 分 散 地 嵌 入 三 维 石 墨 烯 ， 复 合 材 料 具 有 155 m2/g 的 比表 面 积 和 3.8 nm 的孔径。复合材料的电化学性能测试表明复合材料在 0.5 C、 1C、 5 C、 10 C 和 20 C 下 分 别 具 有 203、 183、 153、 140 和 123mAh/g 的 可 逆 容 量 ，循 环 性 能 稳 定 ， 倍 率 性 良 好 。 研 究 结 果 表 明 ， 三 维 TiO2-Graphene 复 合 材 料 具
8、 有单 分 散 的 介 孔 TiO2 微 米 球 ， 良 好 的 导 电 性 ， 稳 定 的 结 构 和 形 貌 ， 有 利 于 在 充 放电 过 程 中 抑 制 TiO2 微 米 球 的 体 积 变 化 和 团 聚 ， 从 而 改 善 了 TiO2 材 料 的 电 化 学 性能 。关键词：锂离子电池；四价金属氧化物；掺杂；复合；电化学性能IAbstractNowadays, lithium-ion battery has played an important role in peoples study,life and work. Therefore, lithium-ion batter
9、y (LIB) with high performance is required.To explore LIB electrode material with high capability and excellent cyclability is oneof the focuses of the current scientific researches. Tetravalent metal oxide attractsincreasing attention due to its high capacitance, safe and no-toxic,environment-friend
10、ly and low cost. However, the poor conductivity and changedvolume of materials for tetravalent metal oxide restrict its electrochemicalperformance. Herein the electrochemical performance of tetravalent metal oxide isexpected to be improved with help of doping and combination with other conductivemat
11、erials. The tin oxide nanocrystal and titanium dioxide-graphene composite wereprepared via a solvothermal method, and characterized by various electrochemicalmethods including XRD, EDX, SEM, TEM, Raman, FT-IR, UV-vis and BET. Thelithium-ion batteries were assembled in an Ar-filled glove box and test
12、ed on anelectrochemical workstation and a battery tester. The results are shown as thefollowing:Colloidal SnO2 nanocrystals were prepared via a solvothermal method using tintetrachloride as tin precursor, Gd3+ ions as doped ions and oleic acid as stabilizingagent. The XRD， TEM， Raman， UV-Vis results
13、 of SnO2 nanocrystals with differentdoping concentrations indicate that the as-synthesized samples are tetragonal rutileSnO2 and Gd3+ ions exist as the formation of substituting Sn4+ ion. Pure SnO2nanoparticles with quasi-sphere shape are converted to nanorods due to Gd3+ ionsdoping. In addition, wi
14、th increasing Gd3+ doping concentration, the size of SnO2nanorods decreases from 6.2 to 4.2 nm. The growth mechanism of SnO2 nanocrystalswas explained through surface free energy principle. The electrochemical propertiesof as-synthesized samples show that the initial discharge and charge capacities,
15、 cycleperformance and coulombic efficiency of SnO2 nanorods are better than those of SnO2nanopaticles. Moreover, SnO2 nanorods show a reversible capacity of 370 mAh/gafter 50 cycles. The results demonstrate as Gd3+ ions are introduced, the shape andsize of SnO2 nanocystals can be changed and the ele
16、ctrochemical property beimproved.3D TiO2-Graphene composites were prepared via a solvothermal method usingamorphous TiO2 with sphere shape and graphene oxide as precursor. The structure,IImorphology, size and component of the TiO2-Graphene composites were studied.The results indicate that anatase TiO2 microspheres are well dispersed on the graphenesheets. The composites show a high surface area of about 155 m2/g and pore size of3.
