超薄金属氧化物纳米复合材料的制备及储能机制研究

作     者：王泽伟 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘汉涛;梁君飞;李贵良

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：金属氧化物 纳米片 异质结构 负极材料 

摘      要：对能源日益增长的需求引发了从化石燃料到可再生能源的方式转变,如风能和太阳能。然而,这些可再生能源本质上是间歇性的,这使得开发可行的储能装置至关重要。电化学储能因其高能量转换效率、相对紧凑的尺寸和快速的响应而被认为是一种高效的储能技术。目前,市场上较为常见的便携式电化学储能装置为锂离子电池,但是,仍存在着许多问题制约着锂离子电池进一步的发展,如金属氧化物在嵌锂和脱锂过程中会发生体积膨胀,从而造成极片粉化,降低电池的使用寿命;锂元素成本较高,亟待开发新型二次电池(如钠离子电池和钾离子电池)解决这一问题;目前处于研发阶段中的锂/钠离子电池纳米结构电极材料的负载量普遍偏低,影响其商业化进程等。因此,为进一步提升锂/钠离子电池电化学性能,开发高性能的正负极材料迫在眉睫。近几年,二维(2D)异质结构纳米复合材料因其优异的性能成为了纳米材料领域的研究热点,很多二维异质结构纳米复合材料在多个应用领域,特别是在能源储存和转化上显示出非常好的应用性能。为解决上述电池中出现的问题,本文首先合成了金属氧化物和氧化石墨烯二维异质结构纳米复合材料,随后利用石墨烯低温自组装特性将二维纳米复合材料负载到三维多孔石墨烯上。其中,面与面直接接触的异质结构能最大程度的缓和金属氧化物在充放电过程中的体积膨胀,而多孔石墨烯作为三维交联导电骨架,既可以提供优异的导电性又可以增强离子传输速率,便于在电极材料高负载量的前提下,获得具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命特征的电池。具体内容如下:实验一使用原位化学合成法,合成了Sn O/3D-HGF纳米复合材料,制备的Sn O/3D-HGF电极储钠时在9.0 mg cm的高载量下,经过450次循环后仍保持207 m Ah g的放电容量。实验二使用碱性模板刻蚀法,合成片状Zn-Co双金属氧化物/多孔石墨烯复合材料,这种方法制备的Zn Co-LDO/HGF电极储锂时,经过130次循环后仍保持1150 m Ah g左右的放电容量。