高容量过渡金属氧化物ZnMnO3负极材料的制备、改性及其储锂性能研究

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过渡金属氧化物因特殊的储锂机制而具有较高的理论比容量,在众多过渡金属氧化物中,ZnMnO3因资源储量丰富、成本低廉、环境友好和理论容量高的优点引起了广泛关注。但是,ZnMnO3材料作为负极材料应用于锂离子电池中存在导电率低、不可逆容量高、容量的快速衰减、易粉化等问题。针对以上问题,本论文通过构建特殊结构与形貌、与导电性好的碳材料进行复合及引入过渡金属元素Ni等方法来完成对ZnMnO3材料的制备及改性,并将其运用在锂离子电池中进行储锂性能研究。采用软模板法结合后续热处理的方法得到具有多孔微纳米结构的结构ZnMnO3微球,并作为负极材料应用于锂离子电池中。对材料进行电化学性能测试,测试结果表明具备该特殊结构的ZnMnO3微球具有良好的循环稳定性,这主要归因于该材料特殊的蛋黄-蛋壳结构。根据材料在充放电过程中的晶型结构演变和元素价态变化,可充分说明该材料的容量体现是由Mn(IV)与Mn之间的氧化还原作用决定的结果,而该材料中的元素Zn没有发生价态变化,暗示出在充放电过程中并没有生成Li-Zn合金,从而推断出该材料在充放电过程中的转换机制。这说明并不是所有含锌的化合物负极材料充放电过程中一定会生成Li-Zn合金,同时,这为锂离子电池相关反应机制的研究工作提供了新的依据。采用静电纺丝法结合后续热处理的方法制备ZnMnO3/C复合纳米纤维并作为负极材料应用于锂离子电池中。对材料进行电化学性能测试,测试结果表明,具有该特殊结构与形貌的ZnMnO3材料,表现出良好的电化学性能。这主要归因于该材料的特殊结构与形貌,纳米纤维有助于提高Li+在充放电过程中的扩散速率,同时又有助于形成良好的导电网络,使得材料与电解液的有效接触面积大幅度提高;同时,碳元素的引入,使得材料的导电性大幅度提升,从而表现出良好的循环稳定性。采用静电纺丝法结合后续热处理制备出新型多组分过渡金属氧化物ZnNixMn1-xO3/C(x=0.1、0.2、0.3)复合纳米纤维,并作为负极材料应用于锂离子电池中。此项工作是基于先前工作的进一步探索,即通过引入具有多种价态的过渡金属元素Ni完成对ZnMnO3/C复合纳米纤维的改性。电化学性能测试结果表明,该材料的初始库仑效率明显提高、不可逆容量大幅度减小,这主要是归因于金属元素Ni的引入。同时,测试结果也显示出,尽管引入金属元素Ni对ZnMnO3材料进行改性是一种有效且高效的方式,但引入金属元素Ni的量应适度。
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