三元铌基氧化物的制备及其电化学性能

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在过去的十年,三元富锂负极材料(Li-Ti-O)由于其优异的循环性能和高功率在锂离子电池负极材料领域得到了广泛的研究,但较低的比容量(175 mAh g-1)限制了其大面积的应用。与钛酸锂比较,三元铌基氧化物(M-Nb-O)不仅具有更高的比容量和类似的脱嵌锂电位,而且展示出优越的循环性能和倍率性能,有望成为下一代新型功率型负极材料。研究结果表明三元铌基氧化物在充放电过程中Nb原子的两组电子对:四价铌离子/三价铌离子和五价铌离子/四价铌离子依次氧化还原反应,有效地提高电池体系的能量密度。本文重点介绍了三元钾铌氧化物、三元硼铌氧化物及三元铋铌氧化物,并采用静电纺丝法首次合成出了K6Nb10.8O30、BNb3O9、BiNbO4三种一维纳米材料,然后对它们进行表征分析。初始部分,讨论了凹槽状K6Nb10.8O30纳米带和纳米线的合成及其电化学性能。本章使用圆形滚筒和瓷舟这两种不同的收集器进行静电纺丝,使得纺丝液溶剂在空气中蒸发的时间不同,煅烧后分别得到一维的K6Nb10.8O30纳米带和纳米线。通过电化学测试发现K6Nb10.8O30纳米线在100 mA g-1电流密度下,其充电比容量在循环1000周后仍有85.19 mAh g-1。凹槽状K6Nb10.8O30纳米带具有更加突出的性能,在相同的测试条件下,其充电比容量在循环1000周后高达161.5 mAh g-1。最后利用原位XRD技术推测了K6Nb10.8O30的储锂机理。其次,通过可控电压的静电纺丝法制备的镂空状BNb3O9纳米带,在700mA g-1电流密度下循环1000次,其可逆容量保持在116.1 mAh g-1。关键发现是利用扫描电子显微镜深入探讨了镂空状BNb3O9纳米带的形成机理。此外,还通过原位XRD测试研究了BNb3O9的结构演变和储锂机理。最后,分析了一维BiNbO4纳米线的合成、电化学性能及其储锂机理。采用操作简单的静电纺丝法在不锈钢网笼收集器得到纺丝前驱体,经过高温煅烧处理得到一维BiNbO4纳米线,通过电化学性能测试发现,在大电流密度循环700次后,容量保持率仍有60%。利用原位XRD证实了Li3Bi合金的转化提供可逆容量,进而得出一个可能的储锂机理。
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