鐵基氧化物半導(dǎo)體作為鋰離子電池負(fù)極材料的研究.pdf

1、金屬氧化物是一類重要的半導(dǎo)體材料，其多為離子晶體，禁帶寬度較大，電子遷移率較低。由于具備特殊的電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，金屬氧化物已被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域。許多金屬氧化物半導(dǎo)體還具有優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能，理論比容量是石墨的2~3倍，而且制備容易，無(wú)污染，成本低廉，這些優(yōu)點(diǎn)使它們成為了下一代鋰離子電池負(fù)極材料的候選之一。但是，金屬氧化物的電導(dǎo)率低，作為鋰離子電池電極時(shí)大電流性能較差，而且，隨著鋰離子的嵌入和脫出會(huì)發(fā)生劇烈的體積變化，嚴(yán)重影響了電池

2、的充放電循環(huán)壽命。
　　本論文以鐵基氧化物（包括Fe3O4和Fe2O3）為主要研究對(duì)象，以提高鐵基氧化物鋰離子電池電極的功率密度和循環(huán)壽命為目標(biāo)，設(shè)計(jì)并制備了具有納米結(jié)構(gòu)的氧化鐵材料，并與碳材料復(fù)合，有效減小了鋰離子在電極材料中的遷移距離，改善了電極的導(dǎo)電性，緩和了由于體積變化所形成的應(yīng)力，保持了電極的完整性。同時(shí)，嘗試了新的電極制備工藝，探討了其對(duì)電池性能的影響。
　　主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)果如下：
　?。?）碳包裹Fe3

3、O4晶粒復(fù)合薄膜電極的制備及其儲(chǔ)鋰性能
　　利用水熱法結(jié)合碳化處理，在泡沫鎳上生長(zhǎng)了碳包裹Fe3O4晶粒的復(fù)合薄膜，將其直接作為鋰離子電池陽(yáng)極，表現(xiàn)出優(yōu)異的大電流循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)測(cè)試電流密度高達(dá)10 A g-1時(shí)，電池在經(jīng)過(guò)2000多次循環(huán)之后仍有543 mA h g-1的可逆放電容量。優(yōu)異的電化學(xué)性能來(lái)源于電極中活性物質(zhì)與集流體有良好的接觸，特別是碳包裹層形成了三維的互聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅有利于電子的傳輸，而且能夠緩解Fe3O4在充放

4、電過(guò)程中的體積變化所形成的應(yīng)力。
　?。?）沙琪瑪狀Fe2O3微米粉體的制備及其儲(chǔ)鋰性能
　　用兩步水熱法結(jié)合退火處理制備了具有沙琪瑪狀結(jié)構(gòu)的Fe2O3微米粉體。由于材料具有的特殊網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，作為鋰離子電池負(fù)極材料有足夠的空間來(lái)適應(yīng)充放電過(guò)程中鋰離子嵌入和脫出所引起的體積變化，相應(yīng)的用傳統(tǒng)涂布法制備的電極表現(xiàn)出優(yōu)異的大電流循環(huán)穩(wěn)定性。當(dāng)電流密度為5 A g-1時(shí)，在循環(huán)1000次之后，電池的可逆放電容量為513 mA h

5、g-1。
　?。?）奶酪狀Fe2O3@碳微米管復(fù)合材料的制備及其儲(chǔ)鋰性能
　　對(duì)脫脂棉進(jìn)行高溫碳化處理，制備出石墨化程度較高、導(dǎo)電性能良好的碳微米管，并采用水熱法在碳微米管上生長(zhǎng)了奶酪狀Fe2O3。作為鋰離子電池負(fù)極材料，奶酪狀Fe2O3@碳微米管復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性和較高的可逆放電容量。在1 A g-1的電流密度下，充放電循環(huán)600次之后，電池的容量為562 mA h g-1。
　?。?）滴涂法制備F

6、e2O3/石墨烯復(fù)合電極及其儲(chǔ)鋰性能
　　利用模板法制備了類 C3N4結(jié)構(gòu)的Fe2O3納米片。與氧化石墨烯混合后，通過(guò)簡(jiǎn)單的滴涂法在銅箔上制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的Fe2O3/石墨烯復(fù)合電極。氧化石墨烯的熱還原處理工藝使電極材料牢固地粘附在銅箔上，所形成的多孔結(jié)構(gòu)有利于電解液充分浸入，并提供了足夠的空間來(lái)適應(yīng)充放電過(guò)程中Fe2O3的體積變化。測(cè)試結(jié)果表明，電極具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g-1的電流密度下，經(jīng)過(guò)2500次循環(huán)后，電池