锌锰尖晶石过渡金属氧化物的制备与电化学性能研究

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尖晶石型过渡金属氧化物材料因制备工艺简单、含量丰富、且形貌和结构容易调控而成为锂电负极材料中重点研究的对象。而锌锰尖晶石(ZnMn2O4)又因其具有价格低廉、理论比容量高(1008mAh/g)且安全无毒的优点而从其中脱颖而出,但该材料存在颗粒容易团聚、循环过程中体积变化大和导电性差等缺点,很大程度上限制了它的应用。为了改善这些问题,本论文从制备方法入手,探究了不同方法对ZnMn2O4形貌与性能的影响。  采用简单的一步水热法成功制备出ZnMn2O4复合材料,探究了ZnMn2O4材料中复合物的种类及其添加量的影响。研究结果显示,ZnMn2O4与还原氧化石墨烯(rGO)和碳纳米管(CNTs)混合物复合后的性能优于单独与其中之一复合。对氧化石墨烯(GO)添加量的研究发现,当添加0.1gGO时,所制得的ZnMn2O4/rGO复合材料具有最优的综合性能,在电流密度为200mA/g下循环226圈后,放电比容量可高达1161mAh/g,且仍保持上升的趋势,在电流密度为500mA/g下循环500圈后放电比容量仍可保持在588mAh/g。对CNTs和GO添加量的研究发现,CNTs和GO的添加量分别为0.06g和0.1g所制得的样品具有最好的循环和倍率性能,在电流密度500mA/g下循环200圈后放电比容量仍高达886mAh/g,容量保持率为104.4%。在电流密度1000mA/g下循环500圈后放电比容量仍高达676mAh/g,容量保持率为91.5%。  采用简单的共沉淀法成功制备出了具有多孔结构的ZnMn2O4微纳米球。实验中详细分析了溶液混合时的搅拌速度和烧结时升温速度的影响,结果表明,过高的搅拌速度会使所制得的ZnMn2O4微纳米球发生团聚,而过高的升温速度会导致ZnMn2O4微纳米球破碎。当搅拌速度为200r/min,烧结升温速度为2℃/min时制得的样品具有较疏松的多孔微纳米球结构,循环过程中完成所有形貌转变的时间最短且电化学性能最好。在电流密度1000mA/g下循环500圈后,放电比容量仍可保持在723mAh/g,容量保持率为102.7%。  本文从锌锰尖晶石的制备方法及其复合物种类出发,对其形貌与性能等进行研究。优异的性能使得这种材料有望应用到高能量电池中。本课题为同时改善尖晶石型过渡金属氧化物容易团聚、体积变化大和导电性差等问题提供了既简单又有效的解决方法。
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