過渡金屬氧化物/還原氧化石墨烯奈米複合材料於鋰離子電池負極材料之研究

  • 翁 紹婕

Student thesis: Doctoral Thesis

Abstract

高能量儲能系統可使元件往輕薄短小發展,是未?發展趨勢。然而負極材料中,過渡金屬氧化物雖具有較高的電容量,但充放電體積膨脹過大,產生電極粉化問題。然而,當過渡金屬氧化物具有奈米結構時,體積膨脹和極片粉化問題將得以大大改善。 本研究之第一部分實驗為結合氧化鋅(理論電容量:978 mAh g-1)與氧化石墨烯(graphene oxide),形成ZnO/rGO自組裝中空球 (self-assembled hollow-sphere) 奈米複合(nanocomposite)材料。藉由電化學測試後,由實驗結果顯示,無論是電容量、循環穩定性以及材料內部阻抗等電池性質,複合材料顯現之性質皆優於氧化石墨烯,且經過20圈充放電測試後,ZnO/rGO奈米複合材料仍維持605 36 mAh g-1的電容量,為氧化石墨烯第20圈電容量133 82 mAh g-1的4倍。從結果得知當過渡金屬化物與氧化石墨烯結合,的確可以提升電池表現。 因此,第二部分實驗則將過渡金屬氧化物改為理論電容量更高的二氧化錳(理論電容量:1232 mAh g-1),並合成二氧化錳(MnO2)奈米針(nanoneedle)、MnO2/rGO奈米複合材料,再將MnO2/rGO奈米複合材料經過還原處理得到四氧化三錳/還原氧化石墨烯(Mn3O4/rGO)六角片狀奈米複合材料(hexagonal-flat structure nanocomposite)。由於三種材料之結構皆具有奈米尺度,因此,提供更多有利於鋰離子擴散的途徑,使鋰離子與材料有更多反應位置,進而提供更高的電容量,又因複合材料之協同效應(synergistic effect),使得複合材料維持了較穩定的循環壽命及高電容量維持率(retention)。 本研究結合氧化鋅/氧化錳與還原氧化石墨烯,製備具奈米結構之複合材料並應用於鋰離子電池負極。由於當過渡金屬氧化物與還原氧化石墨烯結合之後,還原氧化石墨烯扮演緩衝層以及導電層的角色,減緩過渡金屬氧化物在鋰化/去鋰化(lithiation/de-lithiation)過程中過渡金屬氧化物的體積變化,並提升材料導電性;而過渡金屬氧化物則能夠提高整體電容量,並且減緩還原氧化石墨烯重複再堆疊(re-stacking)的現象發生。兩者結合所產生的協同效應(Synergistic effect),使二氧化錳/還原氧化石墨烯(MnO2/rGO)奈米複合材料以及四氧化三錳/還原氧化石墨烯(Mn3O4/rGO)奈米複合材料經過250圈充放電測試後,仍維持高循環穩定性以及高達387 15 mAh g-1以及631 49 mAh g-1之電容量;在快速(2C 2464 mAg-1)充放電的過程中,兩材料分別維持443 05 mAh g-1和549 35 mAh g-1的高電容量,具有應用在鋰離子電池負極材料中的潛能。
Date of Award2019
Original languageChinese
SupervisorJow-Lay Huang (Supervisor)

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過渡金屬氧化物/還原氧化石墨烯奈米複合材料於鋰離子電池負極材料之研究
紹婕, 翁. (Author). 2019

Student thesis: Doctoral Thesis