基于低维纳米结构的高性能锂离子电池和气体传感器研究

论文摘要

锂离子电池是各学科间在能量存储领域研发成功的应用实例之一。随着应用领域的不断拓展,对锂离子电池的可逆容量和循环稳定性的要求越来越高。本论文主要研究了三种全新的有效方法来进一步提高锂离子电池的性能。具体的研究内容如下：（1）运用一维异质纳米结构来提高锂离子电池的性能。通过湿化学的方法合成得到了SnO2/a-MoO3异质结纳米带。SnO2纳米颗粒均匀的包覆在α-MoO3纳米带的表面。我们首次将金属氧化物异质纳米结构（通常都用金属氧化物和碳材料的异质结构）用于锂离子电池,得到了性能非常高的锂离子电池（包括：高的充放电比容量和高的循环稳定性）。这种高的锂离子电池的性能运用传统的锂的脱嵌机制无法解释,为此,我们提出一种新的锂脱嵌机制来解释这种金属氧化物异质结构的高性能锂离子电池充放电特性。并且运用实验,证实了我们提出的新的锂脱嵌机制。（2）运用二维纳米结构来提高锂离子电池的性能。通过一种新的电化学腐蚀的方法制备得到了单晶一维Si纳米线和二维Si纳米片。Si的纳米片结构,目前没有报道,我们首次通过一种简单的方法合成得到了石墨稀样的Si纳米片结构。该制备方法操作简单、反应条件温和、材料的形貌可控,并且大大降低了合成硅纳米结构的成本。并将Si纳米线和Si纳米片用于锂离子电池的负极,得到了Si纳米片拥有比Si纳米线更高的锂离子电池特性。（3）运用多孔的纳米结构来提高锂离子电池的性能。通过一种新的水热的方法制备了形貌可控的C0304纳米棒和多孔的C0304纳米带。通过研究不同充放电速率下的C0304纳米棒和多孔的C0304纳米带的充放电特性,得到了无论在大的充放电速率、还是小的充放电速率的条件下,多孔的C0304纳米带都要远远高于C0304纳米棒的锂离子电池的性能,提出了多孔纳米结构在锂离子电池应用上的优越性。与此同时,异质结构不仅可以用于提高锂离子电池的性能,本论文也研究了运用异质结构来提高气体传感器的性能,即运用一步合成的水热法合成得到了催化剂均匀修饰的金属氧化物来提高气体传感器的性能。具体研究工作有：（1）运用Pt纳米颗粒均匀修饰ZnO纳米花来提高气体传感器的性能。通过水热法一步合成Pt-ZnO异质结纳米花。将Pt-ZnO用于气体传感器,得到了灵敏度高、稳定性好的气体传感特性,建立了一种新的气体传感机制来更为有效的提高气体传感器的性能。（2）运用Pt纳米颗粒均匀混合的小尺寸的SnO2纳米棒来提高气体传感性能。通过水热法一步合成Pt-SnO2异质结纳米棒。将Pt-SnO2异质结纳米棒用于气体传感器,在工作温度较高的情况下,得到了高灵敏的气体传感特性,在工作温度较低的情况下,得到了反常的气体传感特性。通过能带理论,我们对这两种现象给出了合理的解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池介绍
• 1.2.1 锂离子电池的发展
• 1.2.2 锂离子电池的结构、原理与特点
• 1.2.3 锂离子电池的相关概念
• 1.3 纳米材料用于锂离子电池的优点
• 1.4 锂离子电池的负极材料
• 1.4.1 碳材料
• 1.4.2 锡基材料
• 1.4.3 过渡金属氧化物材料
• 1.4.4 硅基材料
• 1.5 研究目的和内容
• 1.6 本章小结
• 2/α-MoO₃异质结纳米带作为高性能锂离子电池负极材料'>第2章 SnO₂/α-MoO₃异质结纳米带作为高性能锂离子电池负极材料
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 3纳米带的合成'>2.2.2 α-MoO₃纳米带的合成
• 2/α-MoO₃纳米带的合成'>2.2.3 SnO₂/α-MoO₃纳米带的合成
• 2.2.4 样品的表征
• 2.2.5 电化学性能测试
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 XRD表征
• 2.3.2 形貌分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 Si纳米片作为高性能的锂离子电池负极材料
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 Si纳米线的合成
• 3.2.3 Si纳米片的合成
• 3.2.4 样品的表征
• 3.2.5 电化学性能测试
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 XRD表征
• 3.4 Si纳米线/纳米片的锂离子电池负极研究
• 3.5 本章小结
• 3O₄多孔纳米带作为高性能锂离子电池负极材料'>第4章 Co₃O₄多孔纳米带作为高性能锂离子电池负极材料
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 3O₄纳米棒的合成'>4.2.2 Co₃O₄纳米棒的合成
• 3O₄多孔纳米带的合成'>4.2.3 Co₃O₄多孔纳米带的合成
• 4.2.4 样品的表征
• 4.2.5 电化学性能测试
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 XRD表征
• 4.3.2 形貌分析
• 4.3.3 拉曼光谱表征
• 3O₄纳米棒和Co₃O₄多孔纳米带的生长机制'>4.3.4 Co₃O₄纳米棒和Co₃O₄多孔纳米带的生长机制
• 3O₄纳米棒和Co₃O₄多孔纳米带的锂离子电池负极研究'>4.4 Co₃O₄纳米棒和Co₃O₄多孔纳米带的锂离子电池负极研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 异质结用于高性能气体传感器
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂
• 5.2.2 Pt-ZnO纳米花的合成
• 2纳米棒的合成'>5.2.3 Pt-SnO₂纳米棒的合成
• 5.2.4 样品的表征
• 5.2.5 气体传感性能测试
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 XRD表征
• 5.3.2 Pt-ZnO纳米花的形貌与气体传感特性分析
• 2纳米棒的形貌与气体传感特性分析'>5.3.3 Pt-SnO₂纳米棒的形貌与气体传感特性分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文和获奖情况