摘 要

本文采用仿生方法得到了高度晶化的氮掺杂碳包覆纳米氧化锌。利用多巴胺在Tris-HCl缓冲溶液中遇氧发生自聚合作为碳源，高度晶化的纳米氧化锌均匀地分布在导电碳矩阵中，形成的碳层不仅提高了氧化锌材料的电子电导率，也缓解了在锂离子的嵌入和脱出过程中巨大的体积变化引起的应力，从而防止了纳米氧化锌的粉化。合成的氮掺杂碳包覆纳米氧化锌通过SEM、TEM、XRD、XPS和拉曼光谱进行表征。它们作为锂离子电池负极材料的电化学性能也同样进行了研究。测试结果显示该材料具有575 mAh g^-1的可逆容量以及较好的循环性能和倍率性能。

关键词：纳米氧化锌；锂离子电池负极；氮掺杂导电碳；聚多巴胺；仿生方法

Abstract

A nitrogen-doped carbon coated ZnO nano-crystal with high degree of crystallinity was achieved through a bio-inspired method. Self-polymerized dopamine was used as carbon source and ZnO nano-crystal was found homogeneously distributed into the conductive carbon matrix. The formed carbon layer not only increased the electronic conductivity of the ZnO materials but also relieved the stress caused by the enormous volume change during the lithiation/delithiation and then prevent the pulverization of the ZnO nano-crystal. The synthesized ZnO nano-crystal@nitrogen doped carbon materials were characterized through SEM, TEM, XRD, XPS and Raman spectroscopy. Their electrochemical performances as the anode for lithium ion batteries were also investigated. A highly reversible capacity of 575 mAh g-1 was demonstrated along with the long cycling performance and high rate ability.

Key Words：ZnO nano crystal； Anode in LIBs；nitrogen doped conductive carbon；polydopamine；bio-inspired method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 锂离子电池简介 2

1.2.1 锂离子电池发展简史 2

1.2.2锂离子电池的结构和工作原理 2

1.2.3 锂离子电池的特点 4

1.2.4锂离子电池的主要应用领域 5

1.3锂离子电池研究进展 5

1.3.1锂离子正极材料的研究进展 5

1.3.2锂离子电池负极材料的研究进展 7

1.4本文的研究目的和内容 9

第二章 实验部分 10

2.1 包碳纳米氧化锌的制备 10

2.2表征与测量 10

第三章 结果与讨论 11

3.1合成材料的SEM图 11

3.2 合成材料的XRD图 12

3.3 合成材料的TEM图 13

3.4 合成材料的拉曼光谱图 14

3.5 合成材料的XPS图 15

3.6 合成材料的EDS图谱 16

3.7 合成材料的充放电曲线、循环性能和倍率性能测试对比图 17

3.8 合成材料的交流阻抗谱 19

第四章 结论 21

参考文献 21

致谢 28

第一章 绪论

1.1 前言

能源推动着人类社会的进步和发展，优质高效能源的出现和先进能源技术的运用极大的推动了人类文明的不断进步。然而，进入21世纪以来，随着现代社会的快速发展，全球范围内人口与经济增长迅速，人们的物质生活水平不断提高，对能源的需求急剧增加，再加上地球上化石能源有限且不可再生，以及人们的过度开发和不合理使用，能源枯竭等问题日益突出，以及由此带来的环境污染例如汽车尾气大量排放造成的雾霾频发等问题越来越来越严重。尽管这些问题已经引起人们的重视，并采取了一系列的措施，如节能减排、植树造林等措施，但是并不能从根本上解决问题。为了应对这些挑战，开发清洁高效的新型能源以减少化石燃料的使用迫在眉睫，是二十一世纪我们必须解决的重要问题之一。

化学电源作为重要的电能转换和存储系统，在所有的能源中有着举足轻重的作用和地位，尤其是可逆的二次电池。由于电子信息产业的迅猛发展，新型二次电池在现代通信、汽车、军事等领域已得到广泛的应用。随着手机、数码相机、笔记本电脑和电动车等移动电子产品和军用电子设备的发展，对轻便的移动电源的需求也在快速增长，因此对电源用电池也有了更高的要求，除了要具备安全、经济、高效、清洁等特点外，还要满足体积小、重量轻、储存性能好和使用寿命长等要求，因此，高容量的二次电池成为了人们的研究热点，得到了快速发展。 目前，商业化的电池有铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。镍铁电池最初没有实现商业化的原因是铁电极易被腐蚀并且充放电效率低，所以在实际中主要应用的还是镍镉电池。但是随着人们环保意识的增强，含有毒性元素并且会污染环境的大部分镍镉电池、镍氢电池逐渐被具有能量密度大、自放电率低、循环性能好、无记忆效应和对环境友好等特点的锂离子电池所取代。锂离子电池和化学电源领域出现的燃料电池和太阳能电池等新型清洁电池能源受到了全世界广泛的关注。

表1.1 二次电池主要性能的比较

随着科技进步，锂离子电池经过近二十年的迅猛发展，已广泛应用于移动电源、电动汽车等仪器设备中。可以预见，锂离子电池在不久的将来还可能成为现代高科技领域如飞机、火箭、鱼雷和人造卫星等的重要化学电源之一。许多国家都投入了大量的科研和精力大力发展锂离子电池及其相关技术，新型锂离子电池相关材料的研究与开发，电池性能的提高与改性以及降低电池的成本是各国研究重点，因此，该技术领域对应对能源危机、环境恶化和社会发展等问题有广阔的发展前景和战略意义。

1.2 锂离子电池简介

1.2.1 锂离子电池发展简史