氧化铜基核壳结构纳米材料的制备及作为锂离子电池负极的电性能研究

Transition metal oxides owing high theoretic capacity (> 600 mAh/g), good rate capability and good safety, are ideal candidates as anode materials for lithium-ion batteries. Therefore, in this research, we will investigate the controllable preparation of hollow nano cupric oxide without hard template, then core-shell structure modification will be made. Finally, electrochemical performance of the as-prepared sample as anode material for lithium-ion battery will be studied. The transition metal oxides have poor electrochemical cyclic performance due to the poor conductivity and the pulverization in repeated charging and discharging process. We designe a CuO nano-material which has core-shell structure and hollow structure at contemporary to solve the problem. The stress force caused by repeated charging and discharging process can be released owing to the "elastic" of the hollow structure. And the core-shell structure will prevent the pulverization phenomenon as for the shell layer will prevent the stress force accumulation and rupture of the nuclear layer. In this study, we hope to prepare CuO nano-material as lithium-ion battery anode material with high speci?c capacity, cycling performance, high coulombic efficiency, good rate capability and good safety. Yunnan Province in the western region called "the kingdom of nonferrous metals". Yunnan Province holds the third-largest copper reserves all over our country. Therefore the copper resources are very rich. This research will enrich the base scientific theory of CuO composite nanomaterial as anode material for lithium-ion battery and enrich the scientific basis for the use of copper resources in Yunnan Province.

过渡金属氧化物在作为锂离子电池负极应用时，表现出较高的比容量(>600 mAh/g)，很好的倍率充放电性能和较高的安全性。因此，本项目将探索核壳结构的空心CuO纳米材料在无硬模板条件下的可控制备和该材料作为锂离子电池负极时的电化学性能。 针对金属氧化物导电性差、在反复充放电过程中易粉化团聚，而导致电化学循环稳定性差的缺陷，通过制备具有核壳结构和同时具有空心结构的CuO纳米材料，利用空心结构的"弹性"，使反复充放电引起的应力得以释放，并以壳结构阻止核结构的应力变化和破裂情况的发生，进而防止材料的粉化，以期制备得到比容量大、充放电循环性能稳定、库仑效率较高、可以大放电倍率充放电的锂离子电池负极材料。 西部地区的云南省素称"有色金属王国"，铜储量居全国第3位，资源非常丰富。本项目的研究将丰富CuO复合纳米材料用作锂离子电池的负极的基础科学理论，并且将为云南省铜资源的利用进一步提供科学依据。

过渡金属氧化物在作为锂离子电池负极应用时，表现出较高的比容量(>600 mAh/g)，很好的倍率充放电性能和较高的安全性。本项目通过制备壳结构的CuO纳米材料解决该材料在反复充放电过程中易粉化团聚，导致电化学循环稳定性差的问题。本项目制备了CuO@ PPy、CuO@C、CuO@β-CD、CuO@Ag、CuO@ZnO、CuO@ZrO2等多种复合材料进行对比，发现CuO@ZnO、CuO@ ZrO2复合材料对于CuO材料的容量稳定性提升的作用是最好的。其次对于CuO材料的容量稳定性提升的作用相对较好的是CuO@ PPy和CuO@C复合材料。CuO@ZnO-6.5％材料在200圈时放电容量仍然保持在476.3 mAh/g，500圈时放电容量仍然保持在459.5 mAh/g，CuO@ZrO2-1％材料在200圈时放电容量仍然保持在402 mAh/g，500圈时放电容量仍然保持在529 mAh/g。我们发现，具有较好的电化学性能的复合材料的阻抗均有所降低，锂离子的扩散系数相对较大，这些均有利于锂离子在电池充放电过程中的传导，对锂离子电池的稳定性提升有价值。在这一研究中，我们按照申请书预期，制备了具有容量循环稳定性的CuO复合材料；为金属氧化物在大容量锂离子电池应用领域应用提供了一定科学依据，为提高金属氧化物作为锂离子电池的负极的循环稳定性提供了一定的方法。. 其次，我们通过原位XRD分析考察了CuO纳米材料储锂电化学行为与机理分析。数据表明在充放电循环过程中，首圈放电完成后CuO被还原成Cu，但首圈充电完成后Cu并没有被氧化为CuO而是Cu2O，而第二圈充放电过程中是Cu2O与Cu的可逆转化。因而，我们认为在CuO材料作为锂离子电池负极的时候其反应机理是Cu2O与Cu的可逆相转化，而不是CuO与Cu的相转化。因而，才造成CuO材料作为锂离子电池负极的时候的容量达不到理论比容量。这一研究揭示了CuO材料在锂离子电池中的作用机理。原位X射线衍射法有助于了解其他过渡金属氧（硫、氟）的电化学行为机理，可以对寻找锂离子电池的商用负极材料进行深入研究。.