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本论文主要包括以下几个部分:(1)ZnFe2O4空心微球的储锂性能及机制研究;(2)Fe/Li3PO4纳米复合物中的晶界储锂研究;(3)SnO2/C空心微球的储锂机制研究;(4)富氮多孔碳材料的储锂性能及光谱学研究。
采用水热方法制备出由纳米颗粒组成的ZnFe2O4空心微球材料。该材料表现出高的可逆容量(900mAh g·1)和良好的循环与倍率性能。研究发现该材料在首次放电初期,其结构的变化过程是由初始尖晶石相ZnFe2O4到立方相Li0.5ZnFe2O4再到立方相Li2ZnFe2O4。锂离子在这两个阶段的嵌入和脱出都是电化学可逆的。深度放电(0.005V相对金属锂;下同)和充电(3.0V)的最终产物中分别为Li-Zn合金和Fe2O3。
深度放电时商品LiFePO4发生电化学转化反应生成Fe/Li3PO4纳米复合物。该复合物在0-1.7V之间具有明显的电容性储锂特征(可逆容量220 mAh g-1)及良好的循环和倍率性能。通过HRTEM对不同充放电状态材料进行分析后证明Fe/Li3PO4纳米复合物中含有大量晶界。由于放电生成的Li3PO4在充电到4.2V时仍能稳定存在,且电极材料表面的SEI膜在1.7V以下时也不发生分解,因此确认锂离子和电子存储在Fe/Li3PO4纳米颗粒的晶界区域,是一种晶界储锂行为。
制备出SnO2和表面包碳的SnO2(SnO2/C)空心微球材料。研究发现,SnO2/C的首周充电容量达1135mAh g-1,高于SnO2的理论储锂容量。分析表明SnO2和SnO2/C的首周放电产物都是纳米Sn和Li2O,但在随后的充电过程中,SnO2/C中的部分Sn被氧化成SnO,而SnO2材料仍遵循两步反应储锂机制。
以三聚氰胺为前驱体制备出不同氮含量(最高达27.3w%)的多孔碳材料。测试表明,不同氮含量的多孔碳材料的充放电容量都在600 mAh g-1以上,且具有良好的循环和倍率性能。分析发现三聚氰胺热解时其C=N双键逐渐断裂成C-N单键。不同氮含量多孔碳的Raman光谱中的D峰和G峰都随入射光波长增加而向低波数端移动,表现出明显的色散现象。