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1、過渡金屬氧化物/納米碳的制備及其儲(chǔ)鋰性能研究Thepreparationandlithium-storagepropertiesoftransitionmetaloxide/nanocarboncomposites領(lǐng)域：化學(xué)工程作者姓名：方澤煒指導(dǎo)教師：鄭嘉明副教授企業(yè)導(dǎo)師：張寶田高級(jí)工程師天津大學(xué)化工學(xué)院二零一四年六月萬方數(shù)據(jù)獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研
2、究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日萬方數(shù)據(jù)摘要過渡金屬氧化物有著高的理論比容量、無污染環(huán)境、低合成成本等優(yōu)點(diǎn)使之成為極具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。然而由于本身導(dǎo)電性較
3、低，并且在充放電循環(huán)過程中自身會(huì)發(fā)生較大的體積形變，最終導(dǎo)致其可逆比容量、循環(huán)性能和倍率性能逐漸衰退，阻礙了其在鋰離子電池負(fù)極材料中的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)過渡金屬氧化物與鋰離子的轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)理，本論文以Fe3O4為研究對(duì)象，提出納米化和復(fù)合化雙重改善措施，并把納米復(fù)合化雙重改性方法進(jìn)一步擴(kuò)展到TiO2嵌入型反應(yīng)機(jī)理電極。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：（1）采用碳納米管（MWCNTs）為導(dǎo)電基體，依靠苯甲醇的苯環(huán)和MWCNTs上的芳環(huán)之間的π-π共軛效應(yīng)，進(jìn)而在MWCNTs表面引入羥基基團(tuán)，游離在溶3+劑中的Fe離子通過與MWCNTs表面引入的羥基基團(tuán)之間的靜電作用，吸附在MWCNTs
4、的表面，在溶劑熱條件下一步合成Fe3O4/MWCNTs―核-殼‖復(fù)合材料。研究結(jié)果表明Fe3O4尺寸約為10nm，纏繞式地生長在MWCNTs表面。電-1極材料在充放電速率為0.1Ag下循環(huán)100次之后所達(dá)到的可逆比容量為487-1-1mAhg，循環(huán)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Fe3O4電極。且在2Ag的大電流密度條件下，-1可逆比容量可達(dá)到389mAhg。（2）針對(duì)單一MWCNTs在電子、離子沿一維方向傳遞的局限和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的不足，對(duì)活性組分電化學(xué)性能的提高有一定的制約，結(jié)合石墨烯（Graphene）在二維結(jié)構(gòu)和MWCNTs一維結(jié)構(gòu)方面的雙重優(yōu)勢，以二者的復(fù)合物為導(dǎo)電基體，構(gòu)建三維導(dǎo)電
5、網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步改善Fe3O4納米粒子的電化學(xué)性能。在合成過程中，依然采用苯甲醇為溶劑，一步溶劑熱的合成方法。研究結(jié)果表明-1-1電極材料在0.1Ag的電流密度下循環(huán)100次之后依然保持840mAh·g可逆放-1-1電比容量。在2.0Ag條件下，放電比容量達(dá)到415mAhg。（3）結(jié)合TiO2自身作為鋰離子電池負(fù)極材料的優(yōu)勢和不足，以高比表面、高導(dǎo)電性和穩(wěn)定性優(yōu)良的r-GO為導(dǎo)體基體，采用溶劑熱合成方法合成超細(xì)TiO2/r-GO復(fù)合材料。結(jié)果表明TiO2納米晶體的生成與GO的還原是同時(shí)發(fā)生的，尺寸約為6nm的TiO2納米晶體均勻且穩(wěn)固的扎釘于r-GO的表面上。電極材料在充放電速率
6、為1C，5C，和20C下循環(huán)200次之后所達(dá)到的可逆放電比容量-1分別為156，126和95mAhg，倍率性能明顯優(yōu)于純TiO2電極材料。關(guān)鍵詞：金屬氧化物四氧化三鐵二氧化鈦碳納米管石墨烯負(fù)極材料萬方數(shù)據(jù)ABSTRACTTransitionmetaloxideshaveshowndesirableproperties,suchashightheoreticalcapacity,lowprocessingcostandenvironmentfriendly,makingthempromisinganodematerialsforhighperformancelithium-io
7、nbatteries.However,thepracticalapplicationoftransitionmetaloxidesasananodematerialsisseriouslyhamperedbythelowelectronicconductivityanddrasticvolumevariationduringtheprocessoflithiumionstorage,resultingintherapidcapacityfadeuponcycling.Bymeansofsynthesis
