文档介绍：学校代码 10530 学号 201010041200
分类号 TB34 密级

硕士学位论文
四价金属氧化物纳米晶及其复合材
料制备与电化学性能研究
学位申请人余随淅
指导教师杨利文副教授
学院名称材料与光电物理学院
学科专业物理电子学
研究方向光电子材料

二○一三年五月
Preparation and electrochemical
performance of nanostructrued tetravalent
metal oxide and posite material

Candidate Yu Suixi
Supervisor Associate Professor Yang Liwen
College Faculty of Material , Optoelectronics and Physics
Program Physical Electronics
Specialization Optoelectronic materials
Degree Master of Engineering
University Xiangtan University
Date May, 2013
摘要

目前,锂离子电池在人们的学习、生活和工作中起到了不可忽视的作用,从
而对其提出了更高的性能要求。开发比能量高和储存寿命长的电极材料是当前科
学研究的重点之一。过渡金属氧化物以其较高的理论电容、安全无毒、环境友好
和价格实惠备受研究工作者的青睐。然而过渡金属氧化物导电性不理想,充放电
过程中体积变化等因素使其实际应用的性能不尽人意。本文以四价金属氧化物为
研究对象,从掺杂和复合两个角度去改善金属氧化物锂离子负极材料的电化学性
能。采用水热法制备了掺杂 SnO2 纳米晶和 TiO2-Graphene 复合材料,通过 XRD、
EDX、SEM、TEM、Raman、FT-IR、UV-vis 等手段对样品进行了表征,借助真
空手套箱组装锂离子电池,并运用电化学工作站和锂离子电池测试仪对样品的电
化学性能进行分析。主要结果如下:
3+
(1)以 SnCl4 为锡源,Gd 离子为掺杂离子,油酸为表面活性剂,通过水热法
制备出不同掺杂浓度的 SnO2 纳米晶。XRD、TEM、Raman、UV-Vis 等微结构与
3+
谱学测试表明所制备样品为四方晶系金红石型 SnO2,Gd 离子以替位式掺杂方
式掺入 SnO2 纳米晶中。随着掺杂浓度的增加,SnO2 由类球状纳米颗粒演变为纳
米棒,并且平均尺寸由逐渐减小为。从表面自由能原理出发,解释
了 SnO2 纳米棒的生长机理。电化学性能表征发现 SnO2 纳米棒的首次充放电容
量、循环稳定性以及库伦效率都要高于纳米颗粒,并且经过 50 次循环后 SnO2
纳米棒的比容量仍保持有 370mAh/g。研究结果表明,由于掺杂的作用,调节了
材料的形貌和尺寸,改善了 SnO2 纳米晶的电化学性能。
(2)以非晶球状 TiO2 和氧化石墨烯为反应前驱体,一步水热反应制备了自组
织三维 TiO2-Graphene 复合材料。分析了复合材料的结构、形貌和成分含量,表
2
明锐钛矿型 TiO2 微米球单分散地嵌入三维石墨烯,复合材料具有 155 m /g 的比
表面积和 nm 的孔径。复合材料的电化学性能测试表明复合材料在 C、1
C、5 C、10 C 和 20 C 下分别具有 203、183、153、140 和 123mAh/g 的可逆容量,
循环性能稳定,倍率性良好。研究结果表明,三维 TiO2-Graphene 复合材料具有
单分散的介孔 TiO2 微米球,良好的导电性,稳定的结构和形貌,有利于在充放
电过程中抑制 TiO2 微米球的体积变化和团聚,从而改善了 TiO2 材料的电化学性
能。

关键词:锂离子电池;四价金属氧化物;掺杂;复合;电化学性能

I
Abstract

Nowadays, lithium-ion battery has played an important role in people’s study,
life and work. Therefore, lithium-ion battery (LIB) with high performance is required.
To explore LIB electrode ma