量子點四氧化三鐵-碳復合材料的結構設計、制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池在能量儲存和轉換中因具有長循環(huán)壽命，高能量密度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點而倍受關注。眾所周知，決定鋰離子電池具有良好性能的器件主要是正負極材料。目前，商業(yè)化石墨是鋰離子電池主要負極材料。盡管石墨相對于其它負極材料具有資源豐富，價格低廉，穩(wěn)定性的優(yōu)點，但是較低的理論容量（372 mAh g-1）卻進一步限制了它商業(yè)化發(fā)展。Fe3O4相對于石墨是一種具有潛在的負極材料，其理論容量為926 mAh g-1，且具有無毒，低成本，資源豐富的優(yōu)點。

2、但是其本身導電率差，且在充放電循環(huán)過程中會產生較大的體積變化造成納米顆粒粉化和結構坍塌，進而導致差的循環(huán)性能和倍率性能。因此，開發(fā)一代高性能的負極材料對鋰離子電池性能的提升具有非常重要的意義。
　　本文主要通過一種新穎的制備方法和選材，對材料組分和結構加以設計和調控，最終制備出不同結構的一維，二維，三維碳包覆的 Fe3O4復合材料。主要亮點為以下幾點，（1）、選擇不同基材和運用新穎的金屬-有機限域交聯(lián)法任意調控碳層厚度和制備不同形

3、貌結構的復合材料，（2）、分布均勻且量子點大小的 Fe3O4納米顆粒，（3）、電極材料具有層次孔結構和高比表面積。根據相關文獻報道，上述亮點正是優(yōu)化電極材料性能的重要因素，碳包覆不僅可以提高整個電極材料的導電率，而且能有效緩沖體積膨脹。超小粒徑的 Fe3O4縮小了鋰離子的傳輸距離和減緩了體積膨脹。層次孔結構和高比表面積更能提高電解液和電極材料的接觸面積，縮短鋰離子和電子的傳輸距離，加快電解液的傳輸速率。具體研究內容如下：
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4、以金屬-有機雜化分子二茂鐵為碳和金屬氧化物共同前驅體及其SiO2為模板，通過金屬-有機限域交聯(lián)法合成 Fe3O4 dots/C空心納米球。系統(tǒng)調控了SiO2模板大小，從而制備不同大小的空心納米球并研究其電化學性能。Fe3O4 dots/C空心納米球在電流密度為3000 mA g-1時，比容量為550 mAh g-1，在電流密度為500 mA g-1，循環(huán)200圈后比容量依然能保持1000 mAh g-1，顯示出良好的循環(huán)性能和倍率性能。

5、另外，通過調控二茂鐵的含量可設計合成不同結構形貌的超薄納米片。當二茂鐵含量為5 mg時合成出三維網絡結構超薄納米片，二茂鐵為10 mg時可制備出三維網絡結構超薄半空心球，二茂鐵為20 mg時可合成結構破碎的空心納米球。以三維網絡結構超薄半空心球作為負極材料時，在電流密度為50 mA g-1時，首次放電容量為2611 mAh g-1，循環(huán)200圈后比容量為1015 mAh g-1。
　　2、運用限域交聯(lián)反應同時誘導生長的方法，以氧化

6、石墨烯為基材，金屬-有機雜化分子二茂鐵為碳和金屬氧化物共同前驅體，制備了三明治型G@Fe3O4/C的復合材料。當用作鋰離子電池負極材料時，G@Fe3O4/C復合材料在電流密度為500 mA g-1時，循環(huán)200圈后，可逆容量穩(wěn)定在980 mAh g-1，在電流密度為3000 mA g-1時，容量高達為638 mAh g-1。上述優(yōu)秀的性能可能歸結于以下原因：（1）、超小 Fe3O4納米離子可縮短鋰離子分布路徑從而加快了鋰離子反應，（2）

7、、石墨烯和無定形碳上的層次孔促進了電解液的分布和轉移，同時作為體積變化的緩沖體，（3）、石墨烯提供了柔軟和高強度的導電骨架緩沖了巨大體積變化。
　　3、以碳納米管為基材，金屬-有機雜化分子二茂鐵為前驅體，通過限域交聯(lián)法成功制備了 CNT@Fe3O4 dots/C同軸納米線。CNT@Fe3O4 dots/C有著獨特的納米結構和組分，其包括超小的 Fe3O4納米顆粒均勻的分布在碳層里（~5 nm），通過二茂鐵含量可任意調控 CNT殼層