氧化铁基负极材料的制备及其电化学性能研究

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锂离子电池具有高能量密度,循环寿命长、自放电率低、高工作电压、使用温度范围比较宽、没有“记忆效应”等优点,被认为是电动汽车、混合动力汽车以及新兴智能网络的新电源。目前商用的锂离子电池负极材料以石墨材料为主,石墨的理论容量只有372mA hg-1,无法满足新一代高容量锂离子电池的需要。相比于石墨材料,氧化铁基负极材料(如Fe3O4、Fe2O3、FeO等)具有更高的比容量。但是由于较差的电子导电性,氧化铁基负极材料的倍率性能并不理想,并且在充放电过程中伴随着体积的巨大变化,从而导致容量的快速衰减。为了提高氧化铁基负极材料的循环稳定性及倍率性能,目前行之有效的方法有两种,其一是减小氧化铁的颗粒尺寸,从而缩短电子传输路径和缓和电极粉化现象,其二是在氧化铁表面包埋上导电炭,从而提高复合物的导电性和限制体积膨胀。本文以Fe3O4基负极材料为研究对象,着重于材料的制备及结构优化,期望能够制备出性能优异的氧化铁基负极材料。通过多种表征手段,如XRD、SEM、TEM、TG、EDX以及XPS等,研究了电极材料的物质组成、晶体结构、尺寸大小和形貌以及表面化学性质等对负极材料电化学性能的影响。本论文主要的研究结果如下:(])通过氨基酸辅助水热法制备出纳米尺度的菱形α-Fe2O3,分别采用水热法和研磨法进行炭包埋,得到了两种类型的炭包埋Fe3O4复合材料,并进行电化学性能测试。结果显示炭包埋能有效提高其电化学性能,50次的循环容量由230mA h g-1提高到660mAhg-1,初次效率由49.8%提高到67.4%。(2)以多巴胺作为炭前驱体,通过溶液聚合法可在Fe2O3纳米粒子表面包埋一层厚度可控、均匀连续、氮掺杂的无定形导电炭层,从而显著提高电极材料的导电性、抑制电极粉化、防止氧化铁纳米颗粒的团聚,0.5Ag-1下50次的循环可逆容量达到976mA h g-1初始效率为68.5%。(3)通过“双限域热解法”制备了两端开口的同轴炭包埋Fe3O4空心管复合材料,这种材料结合了炭包埋和空心结构的双重优点能有效提高材料的倍率性能,1.0Ag-150次循环的可逆容量达到864mA h g-1,3.0Ag-1下的可逆容量为320mA h g-1。
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