题目：三维纳米多孔材料的制备与储能性能研究

 

化学储能系统是开发新能源，发展智能电网的关键部分。高效锂二次电池，作为最有潜力，目前应用最广的储能系统，正面临巨大的机遇与挑战。本论文立足于化学储能系统，主要以高效锂二次电池储能体系为研究对象，研究多孔结构及纳米结构材料，构建具有三维纳米结构的电极体系，开发高容量长循环寿命的高性能储锂材料和高效稳定的创新型电极结构。三维纳米多孔结构电极，具有高表面积、高孔隙率、高效的质量运输、高效的离子电子通道，并能缓解体积膨胀，抑制失活脱落，结合纳米材料特有的尺寸效应、体积效应、界面效应等，可以提高材料的储锂容量，循环寿命和倍率性能，获得高性能电极。

本论文共研究了三类材料，分别为合金类负极材料、碳材料与过渡金属氧化物材料。分别使用了去合金化法、模板法和水热反应法作为制备方法。

利用去合金化法制备合金类负极材料。重点研究了基于Al-Cu二元母相合金，在碱性溶液中去合金化，形成的双尺度结构，即具有几百纳米的大尺度条带与几十纳米小尺度介孔的三维铜集流体(NPC)。化学沉积Sn后，得到Sn-NPC复合电极，表现了远优于平面电极的容量、库伦效率和循环性能。基于Mn-Cu、Al-Cu-Sn母相合金，在酸性或碱性体系中进行去合金化，研究了去合金化机制，不同相的腐蚀顺序，反应温度、时间等去合金化条件对产物结构的影响。通过去合金化一步反应得到的Cu6Sn5/Cu复合物，应用于锂离子电池，表现出较好性能。另外，以聚苯乙烯(PS)胶态晶体为模板，通过电沉积法制备了多孔锡电极，表征了其性能。

模板法制备介孔纳米碳纤维。用阳极氧化铝模板(AAO)与二氧化硅溶胶构成双模板，以酚醛树脂为碳源，高温碳化后移除模板，制备得到长约40μm，直径220nm的碳纤维，纤维表面遍布直径约20nm的介孔。纤维有三级多孔结构，即中心的通孔、二氧化硅溶胶诱导的介孔和聚合物碳化得到的微孔。材料表现了良好的储锂性能与电化学储氢性能。

水热法制备纳米结构TiO2微球。采用水热合成技术，借助于局部奥斯特瓦尔德熟化作用，调节晶体形核长大速率与内部腐蚀溶解速率，得到空心球结构和刺猬结构的纳米TiO2。TiO2为锐钛矿晶型，外部为纳米棒组合成的刺猬状外壳，内部为空心结构，微球尺寸在300-500nm，材料表现了较好的储锂容量与循环性能。