鐵基氧化物鋰離子電池負極材料的制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、本論文以鐵基氧化物作為研究對象，針對其本征導(dǎo)電率低，首次庫倫效率較低，循環(huán)性能和倍率性能有待改善的問題，采用納米化、復(fù)合化和薄膜化的手段對其進行改性，來提高其電化學(xué)性能。
　　采用了一步溶劑熱法，以EG作為溶劑，F(xiàn)eCl3·6H2O作為鐵源，加入NaAc，合成了取向排列的Fe3O4微球。在溶液中添加PVP后，生成了等級空心微球結(jié)構(gòu)，由取向排列的納米顆粒自組裝而成;不添加PVP時，則生成實心球狀。制備得到的空心微球具有優(yōu)異的電化學(xué)性

2、能，較高的放電容量、穩(wěn)定的循環(huán)性能、增強的倍率性能，在1C倍率下，循環(huán)50次后，放電容量851.9 mAh g-1，在3C倍率下，循環(huán)50次后，放電容量仍有750.1 mAh g-1。這主要歸功于空心微球具有活性物質(zhì)和電解液之間的高接觸面積，同時空心結(jié)構(gòu)很好地緩解了反應(yīng)過程中出現(xiàn)的體積效應(yīng)，維持了電極的穩(wěn)定。
　　采用一步離子熱法在ChCl/尿素混合基DES溶液中制備了Fe2O3納米紡錘體，紡錘體是由細小顆粒緊密堆積而成。把制備得

3、到的納米紡錘體應(yīng)用在鋰離子電池負極材料，展示了良好的電化學(xué)性能。在電流密度200 mA g-1，循環(huán)50次后，容量穩(wěn)定，放電容量仍然高達921.7 mAh g-1;同時具有良好的高倍率性能。優(yōu)異的電化學(xué)性能主要取決于納米紡錘體結(jié)構(gòu)，擁有高效的活性物質(zhì)和電解液之間的界面接觸面積、較短的鋰離子擴散路徑。采用的綠色溫和的離子熱合成方法能為多種電化學(xué)儲能材料的合成給予借鑒作用。
　　通過添加不同量的AA，利用水熱法可控的制備了不同形貌的C

4、oFe2O4樣品，并對AA在自組裝過程中的影響進行了探究。其中，CoFe2O4花型結(jié)構(gòu)直徑在3-4μm之間，是由相互連接的多孔薄片自組裝而成。作為鋰離子電池的負極材料進行了電化學(xué)性能的研究，展示了較高的首次放電容量1179.0mAh g-1;電流密度為200 mA g-1時，經(jīng)過50次循環(huán)后，電極的放電容量仍有733.5 mAh g-1，循環(huán)穩(wěn)定性好;提高的倍率性能，在電流密度1000mAg-1時，容量有744.1mAhg-1。增強的電

5、化學(xué)性能受益于等級花型結(jié)構(gòu)，使得電解液與活性物質(zhì)之間的有效界面面積增加，鋰離子的擴散路徑縮短，同時有效緩解體積變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。
　　通過水熱法，以制備得到的多孔Fe2O3納米棒作為前驅(qū)體，葡萄糖作為碳源合成了Fe3O4/C核殼納米棒結(jié)構(gòu)。Fe3O4/C納米棒的尺寸分布均勻，直徑在50-80nm，長度在300-500nm，表面包覆一層厚度約3nm的均勻非晶碳層。其中，1D納米棒結(jié)構(gòu)大大增加了活性界面，促進鋰離子和電子的轉(zhuǎn)移;引入非

6、晶碳層，有效地抑制了體積變化，提高了循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。應(yīng)用到鋰離子電池負極材料，F(xiàn)e3O4/C核殼納米棒電極具有較高的放電容量、良好的循環(huán)性能和提高的倍率性能。50次充放電后，在0.1C倍率下，F(xiàn)e3O4/C核殼納米棒電極的可逆容量是762.1 mAh g-1;在0.5 C倍率下，容量則為597.2 mAh g-1。在高倍率(1 C)充放電時，F(xiàn)e3O4/C核殼納米棒電極的放電容量仍然有630.1 mAh g-1。
　　制備

7、了一種新型的3D多孔納米Ni/Fe3O4復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，首先直接在集流體Cu上直接電沉積一層3D多孔納米Ni，然后繼續(xù)電沉積一層Fe3O4。應(yīng)用于鋰離子電池負極材料，3D多孔納米Ni/Fe3O4復(fù)合薄膜電極具有提高的首次庫倫效率86.0％;較高的放電容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在1C倍率下，循環(huán)50次后，容量有951.9 mAh g-1;大大提高的倍率性能。3D多孔復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)具有以下特點:增加的Fe3O4和電解液的接觸面積，F(xiàn)e3O4薄片和

8、“專屬”的集流體納米Ni的直接接觸，快速的鋰離子擴散，緩解體積變化且釋放內(nèi)應(yīng)力，維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　通過典型的水熱法和高溫裂解法合成了Fe2O3@Co3O4納米線陣列，核材料Co3O4納米線的直徑在80-100 nm，長度大約為8μm左右，納米線相互獨立且分開，表面被Fe2O3納米顆粒均勻覆蓋，殼層的厚度大約為80-90 nm，且殼層厚度可以根據(jù)控制ZnO中間模板的厚度來進行調(diào)節(jié)。復(fù)合納米線陣列具有較高的孔隙率和比表面積。作為

9、鋰離子電池負極材料，具有較高的放電容量，良好的循環(huán)性能，在電流密度200 mA g-1下，循環(huán)50次后，放電容量仍然有1005.1 mAhg-1，同時具有極好的倍率性能。良好的電化學(xué)性能歸功于特殊的核殼材料:作為“核”材料的Co3O4直接生長在導(dǎo)電集流體上作為支架，確保電子的快速傳輸;薄膜陣列避免使用了粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，大大減少了非活性界面的產(chǎn)生;作為“殼”材料的Fe2O3直接緊密地生長在“核”材料的表面，結(jié)構(gòu)互相支撐，維護了充放電過程中

10、電極的穩(wěn)定性。
　　通過水熱合成和緊接的化學(xué)浴沉積法制備了直接生長在碳布上的Fe2O3@NiO核殼納米棒陣列電極。Fe2O3納米棒的直徑在25-30nm之間，長度在300-400nm?；瘜W(xué)浴沉積之后，納米棒表面被NiO納米片包圍，NiO納米片殼層的厚度約100 nm，且相鄰納米棒表面的納米片互相連接，形成一個相互支撐的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用碳布取代傳統(tǒng)Cu箔作為柔性集流體，可使用在可形變鋰離子電池。把復(fù)合電極直接應(yīng)用于鋰離子電池負極材