ZnO复合薄膜作为锂离子电池负极的研究

论文摘要

ZnO薄膜由于导电性不好,脱嵌锂过程体积效应较大,因此电化学性能不佳。本课题通过ZnO薄膜与其他物质进行复合有效的改善其循环性能和倍率性能。利用蒲公英形貌的ZnO薄膜制备出两类ZnO复合薄膜:一类是ZnO薄膜与单质元素C和Cu复合,分别制备出ZnO-C复合薄膜、ZnO-Cu-C复合薄膜;另一类则是ZnO与四种过渡金属氧化物（MnO、CoO、TiO2、Fe2O3）复合制得ZnO-MO薄膜。利用XRD、SEM、EDS、TEM、Raman等测试手段研究复合薄膜的物质组成和微观形貌,并通过恒流充放电和循环伏安曲线来研究其电化学性能。ZnO-C复合薄膜在234 mA/g倍率下循环50次之后脱锂容量维持在509 mA·h/g,ZnO-Cu-C复合薄膜在234 mA/g倍率下循环50之后脱锂容量维持在468 mA·h/g。性能提高原因在于通过复合单质C、Cu,能提高薄膜的电子导电性能,另外复合C能有效缓解体积效应,而复合Cu可以促进Li2O的分解。第二类薄膜通过复合过渡金属氧化物可以有效的维持结构的稳定性。ZnO-MnO-C复合薄膜、ZnO-CoO-C复合薄膜首次放电形成的金属Mn和Co能促进Li2O分解,前者234 mA/g倍率循环50次之后脱锂容量为475.5 mA·h/g,后者234 mA/g倍率循环50次之后脱锂容量为533 mA·h/g。ZnO-TiO2-C复合薄膜中TiO2主要是维持结构稳定,234 mA/g倍率循环50次后脱锂容量有437 mA·h/g。而ZnO-Fe2O3复合薄膜具有与其他复合薄膜不同的形貌,颗粒表面由纳米薄片组成,具有很好的循环性能和倍率性能,以400 mA/g倍率充放电循环50次之后脱锂容量有777 mA·h/g,容量保持率达到96%。当以2000 mA/g的倍率循环至第50次依然有641.2 mA·h/g。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.3.1 碳负极材料的研究
• 1.3.2 硅基负极材料的研究
• 1.3.3 过渡金属氧化物负极材料的研究
• 1.4 ZnO 负极材料的研究现状
• 1.5 ZnO 负极材料存在的问题及改进措施
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 实验材料和研究方法
• 2.1 实验材料与仪器设备
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 仪器设备
• 2.2 氧化锌薄膜电极的制备
• 2.2.1 氧化锌薄膜的制备
• 2.2.2 氧化锌复合薄膜的制备
• 2.3 锂离子电池装配
• 2.4 材料的物理性能表征
• 2.4.1 X-射线衍射表征测试
• 2.4.2 扫描电子显微镜测试
• 2.4.3 能谱分析测试
• 2.4.4 透射电子显微镜测试
• 2.4.5 拉曼光谱测试
• 2.5 材料的电化学性能测试
• 2.5.1 循环伏安曲线测试
• 2.5.2 充放电测试
• 第3章 ZnO-M 复合薄膜电极
• 3.1 引言
• 3.2 ZnO 薄膜及其复合薄膜物质组成确定
• 3.2.1 ZnO 薄膜XRD 分析
• 3.2.2 ZnO-C 复合薄膜物质组成确定
• 3.2.3 ZnO/Cu/C 复合薄膜物质组成确定
• 3.3 ZnO 薄膜及其复合薄膜的SEM 图
• 3.3.1 ZnO 薄膜的SEM 图
• 3.3.2 ZnO 复合薄膜的SEM 图
• 3.4 ZnO 薄膜及其复合薄膜的电化学性能
• 3.4.1 ZnO 薄膜及其复合薄膜CV 曲线
• 3.4.2 ZnO 薄膜及其复合薄膜的充放电曲线
• 3.4.3 ZnO 薄膜及其复合薄膜的循环性能
• 3.4.4 ZnO-C 复合薄膜与ZnO-Cu-C 复合薄膜倍率性能
• 3.4.5 ZnO 薄膜及其复合薄膜循环后的SEM 图
• 3.5 本章小结
• 第4章 ZnO-MO 复合薄膜电极
• 4.1 引言
• 4.2 ZnO-MO 复合薄膜物质组成确定
• 4.2.1 ZnO-MnO-C 复合薄膜组成的确定
• 4.2.2 ZnO-CoO-C 复合薄膜组成的确定
• 2-C 复合薄膜组成确定'>4.2.3 ZnO-TiO₂-C 复合薄膜组成确定
• 2O₃ 复合薄膜的组成确定'>4.2.4 ZnO-Fe₂O₃复合薄膜的组成确定
• 4.3 ZnO-MO 复合薄膜的SEM 图
• 4.3.1 ZnO-MnO-C 复合薄膜SEM 图
• 4.3.2 ZnO-CoO-C 复合薄膜的SEM 图
• 2-C 复合薄膜的SEM 图'>4.3.3 ZnO-TiO₂-C 复合薄膜的SEM 图
• 2O₃ 复合薄膜的SEM 图'>4.3.4 ZnO-Fe₂O₃ 复合薄膜的SEM 图
• 4.4 ZnO-CoO-C 复合薄膜的TEM
• 4.5 ZnO-MO 复合薄膜的电化学性能
• 4.5.1 ZnO-MO 复合薄膜CV 曲线
• 4.5.2 ZnO-MO 复合薄膜的充放电曲线
• 4.5.3 ZnO-MO 复合薄膜的循环性能
• 4.5.4 ZnO-MO 复合薄膜的倍率性能
• 4.5.5 ZnO-MO 电极循环后的SEM 图
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢