● 摘要
在过去的二十年，锂离子电池逐渐进入人们的视线并与人们的生活息息相关。在该领域的研究中，提高材料的倍率性能和循环稳定性，成为目前大家的研究热点。而与此同时，纳米材料在基础科学研究及技术应用领域也占据了越来越重要的地位。因此研究者们在探索新型的具有高性能的电极材料时，就自然而然的将目光投向了纳米材料。单一结构的纳米材料曾经以其出色的锂离子储存能力，受到研究者的追捧，却因循环稳定性比较差，倍率性能不高，而一直无法用来替代现有的电极材料。在所有的电极材料中钒的氧化物、铁氧化物和锡氧化物以其优异的锂离子嵌入可逆性，容量比较高，便宜易得等特点在锂离子电池电极材料上具有广泛的应用前景。但是这些材料在锂离子插入过程中往往体积膨胀较大，电化学循环稳定性不高，这限制了他们的应用。本文通过简单的复合，掺杂等方法成功的提高了这些材料的循环稳定性。第一，利用原位还原的方法构建了一种纳米管/ VO2(B)的复合材料。在这种复合材料内部，纳米管和VO2纳米带相互缠绕，相互作用，相互穿插成一个类似多孔的网络结构，这种结构具有稳定的锂离子存储性能，整个电极材料的容量可以高达240 mAh g-1，循环稳定性也大幅度的提高，使得VO2成为构筑锂离子电池正极非常有力的候选材料。同时，也可以证明构建这种相互缠绕，相互穿插，相互作用的复合材料，可以作为一种通用的方法来提高具有高电容电极材料的循环稳定性。第二，使用简单的水热制备法，得到多种不同价态元素掺杂的MxV2O5（M=Fe、Co、Ni、Mn、Cu）。电化学测试结果显示CuxV2O5、MnxV2O5、NixV2O5三种化合物的并没有提高V2O5纳米线的循环稳定性和倍率性能。而CoxV2O5则在不改变V2O5晶体结构的前提下保持出色的循环稳定性，提高了V2O5的电化学性能。FexV2O5由于具有独特的锂离子嵌入和脱出过程，具有最出色的倍率性能和循环稳定性。第三，采用简单的溶液制备的方法制备了多种形貌的铁氧化物纳米材料，通过调节溶液浓度、PVP与沉淀剂的浓度等对形貌进行调控。使得产物具有产率高，单分散性好的优点。选取其中的纳米纺锤体结构进行锂离子电池性能改进，我们用一种简单巧妙的方法用C材料给铁纳米材料做了一个空心的“笼子”，使得材料的电化学性能明显提高。简化制备过程，将材料改进为~10nm的Fe3O4的纳米颗粒，碳源采用PVA和CNT（碳纳米管），制备了Fe3O4/C/CNT复合材料，该氧化物的复合材料可以很大程度的提高电极材料整体的电化学稳定性，CNT和PVA所形成的C就像是钢筋和水泥，将Fe3O4纳米颗粒紧紧的固定在CNT导电网络上，即使结构坍塌也不会掉落。CNT的骨架使得材料的整体导电性增加。因此这个体系具有很好的电化学稳定性能。利用简单的复合和掺杂的方法提升材料的电化学性能，操作过程中可以简单的通过控制投料比来控制体系的活性物质含量，易操作，易控制，为制备高性能纳米电极材料提供了简单易行，有效且非常具有应用的方法。