多壳层空心球NiO的制备及其在储能器件中的应用-物理化学专业论文.docx

万方数据 万方数据 多壳层空心球 NiO 的制备及其在储能器件中的应用 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 青岛科技大学研究生毕业论文 青岛科技大学研究生毕业论文 多壳层空心球 NiO 的制备及其在储能器件中的应用 摘 要 氧化镍（NiO）具有较高理论容量 718mAh g-1，约为石墨碳的 1.9 倍和较高的体 积能量密度（约为商业石墨的 5.8 倍）、环境友好、储量丰富，而且相对于其他过渡 金属氧化物有较高的电化学活性和导电性，在过渡金属氧化物中是一类极具应用潜 力的锂离子电池负极材料。然而，与大部分过渡金属氧化物类似，在充放电过程中 存在体积膨胀的问题，循环稳定性和倍率性能差。 在先前的报道中，各种形貌结构的 NiO 已经运用到储能器件锂离电池负极材料 中，但是并没有起到非常理想的效果，因此合成出具有更高可逆放电比容量、更好 循环性能及倍率性能的 NiO 负极材料具有非常重要的现实意义。多孔的多壳层空心 球结构在锂离子电池负极材料中有很大的优势：（1）具有较大的比表面积，可以提 供较多的锂离子附着位点，（2）纳米尺度的粒子可以确保有效电荷和离子传输的距 离更短，使得电阻较小，（3）充放电过程时中空的内部结构可以提供额外的空间体 积，减小内部应力对结构的破坏，增加循环稳定性。基于这些原因，本论文通过设 计和制备多孔多壳层空心球结构 NiO 微球来提升其储锂性能，并且对其性能进行测 试，获得了一些有价值的研究成果。 本文在实验合成部分首先通过水热法，合成具有吸附能力的碳球作为吸附模板， 其次利用硬模板法通过离子吸附作用调节碳球对 Ni2+的吸附能力，最终通过热分解 法得到不同形貌、尺度均一的单壳层、双壳层、三壳层、四壳层 NiO 空心球，做到 了精确控制合成不同壳层数的 NiO 空心球。单壳层和双壳层拥有较薄的壳壁厚度， 在 35 纳米左右，三壳层、四壳层壳壁较厚，为 100 纳米左右。经 BET 测试发现， 从单壳层到三壳层随着壳层数的增加其比表面逐渐增加，三壳层的比表面 最大为 64.72m2/g，但是到了四壳层时又减小为 50.04m2/g。 本文在第三章对合成的不同壳层结构的 NiO 以及纳米粒子进行了循环性能和倍 率性能试，结果表明三壳层 NiO 空心球拥有最高的比电容量和最好的循环性能，其 次是四壳层、双壳层、单壳层、纳米粒子。在电流密度为 500mA g-1 时，1-4 壳层 NiO 空心球和纳米粒子的放电比电容量分别为 687.77mAh g-1、 952.47mAh g-1、 1090.97mAh g-1、 931.97mAh g-1 和 774.7mAh g-1，100 次循环之后的放电比电容量 分别为 425.1 mAh g-1、 593.1 mAh g-1、 789.4 mAh g-1 和 648.9mAh g-1，大于纳米粒 I 多壳层空心球 多壳层空心球 NiO 的制备及其在储能器件中的应用 子的 305.6mAh g-1，而且表现出了非常好的库伦效率，全都大于 97%（除第一次库 伦效率之外）。当电流密度为 1000mA g-1 时，三壳层 NiO 循环 100 次之后其比电容 量为 715.2 mAh g-1。不同倍率条件下，甚至在高电流密度 2000mA g-1 时，三壳层 NiO 空心球的最低比电容量维持在 721mAh g-1。为了检测不同壳层结构 NiO 和纳米 粒子电阻大小，对其进行了交流阻抗测试。经测试发现，材料的阻抗大小与循环性 能和比电容量的大小相符，三壳层的阻抗最小。 多壳层空心球拥有较好的循环性能、倍率性能、循环性能、较高额比电容量与 多孔的空心结构有很大关系。此类结构有较大的比表面积，可以提供更多的锂离子 附着位点，多孔结构可以让电解液渗透到结构内部，缩短离子传输路径，足够的空 腔体积可以缓解体积膨胀时造成材料结构的破碎。 关键词： NiO 多壳层 空心球 负极材料 锂离子电池 三壳层 II 青岛科技大学研究生毕业论文 青岛科技大学研究生毕业论文 PREPARATION OF MULTI-SHELLED NIO HOLLOW MICROSPHERESAND THE APPLICATION IN ENERGY STORAGE DEVICES ABSTRACT Trasition metal oxide NiO is considered to be a promising anode electrode material for lithium ion batteries due to its high theoretical capacity 718mAh g-1, and high volumetric energy dens