论文部分内容阅读
目前商用锂离子电池的负极材料主要是导电性优良、结构稳定的碳材料,但是碳材料的理论比容量较低,已经远远无法满足人类的对便携、高容量的储能需求,因此大量的、理论容量高的负极材料,成为人们的研究对象。过渡金属氧化物铁酸锌（Zn Fe2O4）的理论容量达到1072 mAh g-1,由于锌和铁的储量丰富,制备过程对环境无污染,成本低廉等特点,得到了人们广泛关注。但是ZnFe2O4的导电性差、充放电过程中体积效应严重的缺陷,导致材料的循环稳定性低、容量衰减快、倍率性能差,限制了该材料的应用。本文通过合理的结构设计、包覆等手段,以提高材料的结构稳定性,减小材料的体积效应,提高其导电性,增加其电化学活性位点,减小材料的极化效应使材料具有稳定的充放电平台,提高Zn Fe2O4负极材料的综合电化学性能。研究内容如下:（1）采用低温原位生长策略,可控制备了一维ZnO@ZnFe2O4复合纳米线,并揭示了其生长机制。研究发现,通过精确调控反应时间,可以获得直径约为100 nm的Zn Fe2O4纳米颗粒均匀负载的ZnO单晶纳米线。当反应时间为控制为10 min时,负载Zn Fe2O4的量为7 wt.%。在0.5 A g-1的电流密度下,循环充放电250圈后,其容量达到了490.7 mAh g-1,达到理论容量的49.8%。倍率性能的测试中,当电流密度达为2 A g-1时,容量依然保持在了288 mAh g-1。在不同反应时间下,当时间为10 min时,在保持形貌稳定的前提下,其负载量最高,因此在ZnO、ZnFe2O4两相的共同作用下,其性能最为优异。（2）通过静电纺丝-煅烧-气相沉积制备了一维ZnFe2O4@PPy复合纳米线,并基于原位XRD技术,研究了Zn Fe2O4的储锂机理。所得的ZnFe2O4纳米线,直径约为70 nm,且由直径约为20 nm的ZnFe2O4纳米晶粒构筑而成。进而采用高效气相沉积在Zn Fe2O4纳米晶粒构筑单元表面均匀包覆一层导电聚吡咯,包覆层约为1.5 nm。电化学性能测试表明,在1 A g-1的高电流密度下,循环220圈后,其容量能保持在881.1mAh g-1;在倍率性能的测试中,当电流密度达到10 A g-1时,其容量依然能够保持在286.9 mAh g-1。聚吡咯的包覆提高了材料的导电性,且效改善了材料由于体积效应导致电极的粉化,从而提高了Zn Fe2O4的储锂性能。原位XRD测试,表明嵌锂初期,Li+仅仅是嵌入ZnFe2O4晶格隙中;嵌锂中期,材料被还原生成了ZnxFeyO相;嵌锂后期,晶态材料转变为非晶态结构;最后,以非晶态结构持续充放电。（3）通过静电纺丝-碳化合成一维Zn Fe2O4@C复合纳米纤维,探究了其储锂性能。采用高聚物聚丙烯腈（PAN）为碳源,经过预氧化形成耐热性极高的碳纤维。再经过高温碳化及氧化最终得到Zn Fe2O4@C复合纳米纤维。当氧化温度为400°C,其含碳量约为59.7%,此时纤维直径约为450 nm,且ZnFe2O4晶粒均匀的分散在碳纤维内,使得该样品具有优异的电化学性能。在大电流密度1 A g-1下,循环500圈后,其容量依然能够保持在1237.6 mAh g-1;在倍率性能测试中,当电流密度达到10 A g-1时,其容量依然能够保持在260.3 mAh g-1。碳的包覆有效提高了ZnFe2O4的导电性性,降低了材料的体积效应以及Zn Fe2O4充放电过程中的团聚,提高了材料在充放电过程中的稳定性。由于在合成过程中碳包覆无需提供额外的碳源,降低生产工艺难度,节约生产成本。