关键词:
微波溶剂热
四氧化三钴
磷酸铁锂
自组装
形貌与结构
摘要:
锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、安全无污染等优点,是一种新型绿色环保能源,目前在与国民经济和人民生活息息相关的领域中广泛应用,而电极材料是影响锂电池性能的关键部分,它的性能高低直接影响到锂电池性能的好坏。本论文采用微波溶剂热法,围绕锂离子电池负极材料(Co3O4)和正极材料(LiFePO4)展开研究,主要工作包括以下几方面:
采用微波溶剂热法,以Co(NO3)2·6H2O为原料,尿素为沉淀剂,制备碱式碳酸钴化合物,微波合成温度,保温时间和前驱体中的CO32-和OH-离子在前驱体的尺寸和形貌上起到主导作用。在110℃保温1h,合成了长棒状前驱体,经过350℃煅烧2h,得到具有一维纳米结构的链状Co3O4粉体,其结构特征是由10-20nm的Co3O4纳米晶粒沿着[110]晶轴方向自组装而成的。在140℃保温3h,合成了片状Co3O4前驱体,前驱体经过煅烧热分解后,得到由纳米晶粒自组装而成的规则介孔结构的Co3O4纳米板。通过电化学性能测试表明,350℃煅烧2h得到的Co3O4纳米链作为锂电池负极材料具有较好的循环容量性能,在400 mA g-1电流密度下,经过100次循环后,可逆容量仍能保持在600 mAh g-1,表现出了极其优异的电化学性能。
采用微波溶剂热方法,以Co(NO3)2·6H2O为原料,氢氧化钾为沉淀剂,在140°C保温3 h制备了β-Co(OH)2纳米板,将其于350℃煅烧2h,得到介孔的六边形结构Co3O4纳米板,500℃煅烧2h得到Co3O4纳米环,热处理温度对样品的形貌结构影响较大。介孔六边形结构的Co3O4纳米板作为锂电池负极材料具有较好的电化学性能,其首次不可逆容量低于18.1%,具有超高容量,以及良好的循环性能,经过100次循环后,其可逆容量仍能保持在900 mA h g-1。
采用微波溶剂热法,以Co(NO3)2·6H2O为原料,尿素为沉淀剂,并与多壁碳纳米管复合,制备了MWNTs/Co3O4复合材料。对样品的物相组成、微观结构、形貌和电化学性能等进行了表征及测试。结果表明:复合一定量MWNTs后,Co3O4纳米线变细,电化学电容性能有较大提高,其中n(Co3O4):n(MWNTs)= 2:1样品具有较好的电化学电容行为,其比电容达到369.5 F g-1,并且具有良好的稳定性能以及较好的电容阻抗性能。
采用微波溶剂热法合成LiFePO4粉体,使用无机盐为原料和PEG-4000为表面活性剂。实验结果表明,在相同微波合成条件下,不同原料和表面活性剂对样品形貌结构影响较大,这是由于溶液的pH值和表面活性剂引导晶粒生长决定的。实验中合成了单晶粒的菱形结构和二次颗粒的梭形结构LiFePO4晶体。LiFePO4二次颗粒是由单晶粒自组装而成,颗粒尺寸在1-5μm之间,单晶粒呈长棒状,直径约100nm,长约500nm。对LiFePO4进行了改性研究,首先在制备的LiFePO4晶粒表面吸附葡萄糖,然后在3%H2+97%N2气氛中于700℃保温2h碳化热处理,形成一种LiFePO4-C核壳结构。这大大增加了LiFePO4/C复合材料的电导率,锂离子扩散系数和迁移能力明显增大。对LiFePO4掺杂Mn2+离子改性研究发现:掺杂一定量的金属离子得到LiMnxFe1-xPO4结构样品,少量Mn2+离子掺杂没有破坏LiFePO4晶体结构,并且金属Mn2+离子增加了晶格缺陷,使得锂离子的嵌入与脱出能力明显提高,提高了材料的电化学性能。