微纳结构的锑基三元氧化物 ——合成及电化学性能研究

论文摘要

本论文的主要内容是以水热法和固相烧法合成了一系列微纳尺度的锑基三元氧化物，采用X射线粉末衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对合成产物的晶相、形貌和结构进行了表征。进一步将所制备的材料用于锂离子电池负极，考察了其电化学性能并研究了其电化学机理。主要研究内容和结果如下：（1）以SbCl3，MnCl24H2O和N2H4H2O为原料，分别用水热法和混合溶剂热法制备出了MnSb2O4晶体和MnSb2O4微米球。结果表明，水热法制备的MnSb2O4为较大颗粒的绿色棒状晶体。混合溶剂热法制备的MnSb2O4微米球是由厚度为20-30nm的纳米片组成的，其直径为10-15um。将它们用作锂离子电池负极材料，发现MnSb2O4微米球的电化学稳定性明显优于MnSb2O4晶体。MnSb2O4晶体在电流密度为20mA/g的条件下，首次放电比容量为1418.7mAh/g，循环50圈后，容量迅速衰减至25.4mAh/g。MnSb2O4微米球在电流密度为100mA/g的条件下，首次放电比容量为2197.9mAh/g，对应于形成Li3Sb，Mn和Li2O，循环50圈后，容量衰减至168.3mAh/g。推测原因是由纳米片组成的MnSb2O4微米球颗粒尺寸小，可以降低充放电过程中的体积效应。同时小尺寸缩短了锂离子在电极材料中的传输路径，因此其电化学稳定性能得到提升。（2）以SbCl3，ZnCl2和N2H4H2O为原料，用水热法制备出了ZnSb2O4晶体。结果表明，产物的结晶度很高，颗粒尺寸约为10um。将其用于锂离子电池负极材料，发现首次放电比容量为1444.3mAh/g，形成Li3Sb和LiZn合金，首次可逆充电容量为515.5mAh/g，50圈后容量衰减至45mAh/g。（3）采用固相烧结法以氧化物或氯化物为原料制备出了MSb2O6（M=Cu，Mn，Zn）。表征结果表明，三种材料均为结晶度很高的微纳尺度颗粒。将它们用作锂离子电池负极，测试了电化学循环稳定性并研究了电化学反应机理，发现三种材料的电化学反应机理相似，首次放电都对应于形成M、LixSb（1≦x≦3）和Li2O（其中ZnSb2O6可形成LiZn合金）。CuSb2O6晶体因颗粒尺寸小（约50nm），其首次放电比容量高达1982.1mAh/g，循环50圈后，容量衰减至约140mAh/g，电化学循环稳定性明显优于颗粒尺寸在100300nm的ZnSb2O6和MnSb2O6。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 纳米材料及其发展
• 1.2 纳米材料的特性
• 1.2.1 小尺寸效应
• 1.2.2 表面效应
• 1.2.3 量子尺寸效应
• 1.2.4 宏观量子隧道效应
• 1.3 纳米材料的主要制备方法
• 1.3.1 水热法
• 1.3.1.1 水热法简介
• 1.3.1.2 水热法的特点
• 1.3.1.3 水热法的研究进展
• 1.3.2 模板法
• 1.3.2.1 “软模板”法
• 1.3.2.2 “硬模板”法
• 1.3.3 溶胶－凝胶法
• 1.3.4 化学气相沉积法（CVD）
• 1.4 纳米材料的用途
• 1.5 锂离子电池概述
• 1.6 锂离子电池的工作原理与特征
• 1.6.1 锂离子电池的工作原理
• 1.6.2 锂离子电池的种类和特点
• 1.7 纳米结构锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.7.1 碳基负极材料
• 1.7.2 氮化物负极材料
• 1.7.3 硅基负极材料
• 1.7.4 锡基负极材料
• 1.7.5 钛的氧化物
• 1.7.6 纳米结构的锑系化合物的研究现状
• 1.7.6.1 纳米锑基氧化物
• 1.7.6.2 纳米锑合金
• 1.8 本文的选题依据和研究内容
• 第二章 实验
• 2.1 实验试剂和实验仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 样品的合成（见相应章节）
• 2.3 样品的表征
• 2.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电镜表面形貌分析（SEM）
• 2.3.3 透射电镜分析（TEM）
• 2.3.4 热重分析（TG/DTA）
• 2.3.5 电化学性能分析
• 2O₄的合成及电化学性能研究'>第三章 微纳结构 MnSb₂O₄的合成及电化学性能研究
• 2O₄的研究进展'>3.1 纳米材料 MnSb₂O₄的研究进展
• 2O₄的合成与表征'>3.2 MnSb₂O₄的合成与表征
• 2O₄的合成'>3.2.1 MnSb₂O₄的合成
• 2O₄的表征与性能测试'>3.2.2 MnSb₂O₄的表征与性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 3.3.2 热重分析（TGA）
• 3.3.3 电镜分析（SEM/TEM）
• 3.3.4 可能的形成机理研究
• 3.3.5 电化学性能研究
• 3.4 本章小结
• 2O₄晶体的合成及电化学性能研究'>第四章 ZnSb₂O₄晶体的合成及电化学性能研究
• 2O₄的研究进展'>4.1 ZnSb₂O₄的研究进展
• 2O₄晶体的合成与表征'>4.2 ZnSb₂O₄晶体的合成与表征
• 2O₄晶体的合成'>4.2.1 ZnSb₂O₄晶体的合成
• 2O₄晶体的表征和性能测试'>4.2.2 ZnSb₂O₄晶体的表征和性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 4.3.2 电镜（SEM）分析
• 4.3.3 电化学性能测试
• 4.4 小结
• 2O₆（M=Cu、Mn、Zn）及其电化学性能'>第五章 固相法合成 MSb₂O₆（M=Cu、Mn、Zn）及其电化学性能
• 2O₆的研究进展'>5.1 锑酸盐 MSb₂O₆的研究进展
• 2O₆纳米材料的合成与表征'>5.2. MSb₂O₆纳米材料的合成与表征
• 2O₆纳米材料的合成'>5.2.1 MSb₂O₆纳米材料的合成
• 2O₆纳米材料的表征和性能测试'>5.2.2 MSb₂O₆纳米材料的表征和性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 X 射线粉末衍射分析（XRD）
• 5.3.2 电镜分析（SEM/TEM）
• 5.3.3 电化学性能研究
• 5.4 小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 个人简历