静电纺丝锂离子电池过渡金属负极材料的制备及性能表征

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锂离子电池是一种绿色清洁储能装置。由于锂离子电池能量密度高、循环寿命长且没有记忆效应,价格低廉,自放电小且无公害一直备受青睐。随着便携智能设备等在人们生活中所占比例的增加,对锂离子电池的性能要求越来越高。在电化学的最新研究进展中,纳米技术已经使纳米材料应用在开发高性能锂离子电池中,这主要是因为纳米材料独特的形貌结构,带有大比表面积和很多活性位点,可以为锂离子的嵌入和脱出提供更多的空间和反应位点。因此可利用纳米材料开发出具有高储锂能力和高能量密度的高性能锂离子电池。基于纳米材料为开发高性能锂离子电池所带来的新理念,本文利用静电纺丝技术制备了可以作为锂离子电池负极材料的过渡金属纳米纤维。本文详细的阐述了静电纺丝技术制备TiO2纳米纤维和CoFe2O4纳米纤维的方法,并采用XRD,SEM,TEM等表征手段测试了所制备材料的晶体结构、表面形貌结构;用恒流充放电测试了所制备材料的电化学性能。本文的具体研究工作如下:1.将钛酸四正丁酯和PVP溶解在不同溶剂中制备了不同的纺丝液体系,采用静电纺丝方法制备了复合纳米纤维。讨论了不同溶剂体系对复合纳米纤维形貌结构的影响,经讨论分析,静电纺以无水乙醇为溶剂体系的纺丝液得到的复合纳米纤维的表面形貌结构最为突出。将该复合纳米纤维在空气中500 oC、600 oC和700 oC温度下煅烧3 h得到的TiO2纳米纤维进行SEM、TEM和XRD表征,结果表明煅烧后得到的均为具有纤维结构的锐钛矿相的TiO2纳米纤维。样品的结晶度以及构成TiO2纳米纤维的纳米颗粒的大小随着煅烧温度的升高而增加。所制备TiO2纳米纤维作电极材料组装成模拟电池测试其电化学性能,结果表明500 oC下得到的TiO2纳米纤维的电化学性能最好,在充放电速率为0.1C时首周的充电容量达到了279 mAh/g,但是其循环性能较差,容量随着循环的进行衰减比较严重。在600 oC和700 oC下得到的样品的容量随着循环进行衰减也比较严重。2.以PAN:PVP=7:3(wt:wt)将一定量的PAN和PVP溶解到DMF中,以Co(NO32·6H2O:Fe(NO33·9H2O=1:2(摩尔比)并且两者质量占高分子质量的30%的比例,称取计算量的两种盐加入到上述溶液中制备均匀纺丝溶液。利用静电纺丝方法制备了复合纳米纤维,从五个煅烧方案中优化选取了空气中800 oC煅烧5 h的方案,结果表明该方案能够晶相结构纯的CoFe2O4纳米纤维。所制备的CoFe2O4纳米纤维作电极材料组装成模拟电池测试其电化学性能,结果表明通过该方法制备的CoFe2O4纳米纤维具有很高的比容量,比CoFe2O4的理论容量还要高出许多。但在循环10周以后该材料的充放电效率虽然达到了90%以上,但此时的放电容量仅有134.19 mAh/g,整个循环过程中容量衰减较大较快。测试了该材料的其循环伏安曲线,分析结果表明其容量衰减较大是因为材料结构的破坏。
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