摘 要

锂离子电池是最具潜力的储能器件之一，但石墨作为商业化的锂离子电池负极材料只有372 mAh g^-1的容量，难以满足锂离子电池高能量密度的要求。α-MoO₃因其一维的层状结构和1111 mAh g^-1的高容量在电化学储能器件领域吸引了广泛的关注。然而，α-MoO₃比较差的离子电导和电子电导率以及在电池循环过程中的体积膨胀问题使其循环稳定性和倍率性能并不理想，阻碍了α-MoO₃的广泛应用。一般来说，构筑金属氧化物异质结构是获得优异性能的有效方法，因为复合材料可以利用其中各组分之间的协同增效作用。氧化铁由于其高容量、无毒、耐腐蚀和低成本等优点被认作是有前途的锂离子电池负极材料。因此，合理的设计合成氧化铁包覆的α-MoO₃复合材料可以增强锂离子电池的循环和高倍率性能。本文通过水热法和水浴法合成了 α-MoO₃@FeO_x 纳米带异质结。主要的研究结果如下：

（1）合成了FeO_x包覆的 α-MoO₃纳米带异质结构，FeO_x由于晶面能的作用选择性的生长在α-MoO₃纳米带的（001）和（100）面，形成了类似草履虫的形貌。这种晶面选择性生长为设计合成新奇的高性能储能器件电极材料提供了思路。

（2）测试α-MoO₃@FeO_x 的电化学性能，在200 mA g^-1下循环100圈保持913 mAh g^-1的比容量；在1000 mA g^-1下循环100圈仍保持540 mAh g^-1的比容量。

关键词：α-MoO₃；FeO_x；纳米带；选择性生长；锂离子电池

Abstract

Rechargeable LIBs have been regarded as one of the most promising energy storage devices. However, graphite, as currently commercialized LIBs anode, can hardly meet the increasing demands for LIBs with high energy density due to its low capacity (372 mAh g^-1). α-MoO₃ is a promising anode material for lithium ion batteries (LIBs) due to its high theoretical capacity and layered structure. Nevertheless, its poor electronic/ionic conductivity and volume expansion makes it face many challenges in cycle life and rate capability, which hinders its widely applications. Generally, designing and fabricating heterogeneous metal oxides is an effective way to get superior performance because the composites can take advantage of the different constituent phases by synergistic effects. Iron oxide has long been identified as a promising host material for lithium storage because of its high capacity, nontoxicity, high corrosion resistance and low processing cost. Therefore, it can rationally design iron oxide coated molybdenum trioxide composite to enhance the cycle and high rate performance. In this work, the advanced α-MoO₃@FeO_x nanobelts have been synthesized through coupling hydrothermal method and water bath method. The main results are as follows:

（1）FeO_x coated α-MoO₃@FeO_x nanobelts have been synthesized. Amorphous FeO_x grows on the (100) and (001) facets of the α-MoO₃ nanobelts because of surface energy, leading to the formation of a paramecium -like morphology. The work on facet selectivity grown provides a new method to design and prepare more novel electrodes for high-performance energy storage devices.

（2）Testing the electrochemical performance of α-MoO₃@FeO_x nanobelts, it delivers a high reversible capacity of 913 mAh g^-1 at 200 mA g^-1 after 100 cycles, and 540 mAh g^-1 retained at 1000 mA g^-1 after 100 cycles.

Key Words：α-MoO₃; FeO_x; nanobelt; selectively growth; lithium ion battery

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂离子电池简介 1

1.2.1锂离子电池发展现状 1

1.2.2锂离子电池的结构及工作原理 3

1.3锂离子电池负极材料 3

1.3.1 锂离子电池负极材料概述 3

1.3.2 α-MoO₃ 4

1.4研究目的意义及内容 6

第2章 实验材料的制备与表征 8

2.1实验药品和仪器 8

2.1.1实验药品 8

2.1.2 实验仪器 8

2.2材料的表征方法 8

2.3 α-MoO₃的制备与表征 10

2.3.1 α-MoO₃的制备 10

2.3.2 α-MoO₃的表征 10

2.4 α-MoO₃@FeO_x的制备与表征 11

2.4.1 α-MoO₃@FeO_x的制备 11

2.4.2 α-MoO₃@FeO_x的表征 11

第3章α-MoO₃@FeO_x的电化学性能测试 16

3.1低电流密度循环测试 16

3.2高电流密度循环测试 17

3.3循环伏安特性曲线测试 18

3.4倍率性能测试 18

第4章 结论 20

参考文献 21

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

随着社会人口的增加和经济的发展，人们对于能源的需求也不断增加。目前，超过85%的能源来源于化石燃料，而化石燃料的大量燃烧必然造成NO，SO_x，CO₂等有害气体的大量排放，加剧环境污染。为了减少化石燃料使用过程的污染，人们需要开发诸如太阳能、水力能、风能、核能、潮汐能等清洁能源。电池是一种具有高效转化效率的能量存储和转换装置，同时也是合理利用这些清洁能源的重要媒介，吸引了科学家们广泛的关注和研究。锂离子电池^[1,2] 因其优异的容量和能量密度，长的循环寿命和存贮寿命在便携式储能器件领域得到了巨大的关注。自从1991年商业化以后，锂离子电池已迅速占领市场并发展成为新一代储能器件，广泛应用于便携储能系统、电动车和航空航天等领域^[3]。锂离子电池中，负极材料是其重要组成部分之一。石墨通常被应用于商业化的锂离子电池负极中，但其372 mAh g^-1的比容量以及高倍率下的低性能很难满足人们对锂离子电池高能量密度的需求^[4]。因此，寻找开发能量密度高、倍率性能好、循环寿命长的锂离子电池负极材料已成为科学家们关注的重要课题^[5,6]。

层状结构的α-MoO₃由于其优异的理论容量（1111mAh g^-1）和特别的转化反应吸引了科学家们的关注^[7,8]。α-MoO₃在三氧化钼诸多物相中是最稳定的相，拥有各向异性的层状晶体结构，为锂离子的嵌入脱出提供了有利条件^[9]。然而α-MoO₃较差的离子电导和电子电导率以及在循环过程中的结构塌陷导致其循环稳定性和倍率性能均不理想^[10]。氧化铁因其价格低廉、理论容量高、无毒，也被认为是锂离子电池电极材料的良好材料^[11,12]。利用氧化铁包覆α-MoO₃可以增加锂离子的活性位点和扩散效率，缓冲循环过程的体积膨胀，是增强材料电化学性能的一个良好途径。