鐵（氫）氧化物柔性電極材料的制備及性能研究.pdf

1、下一代光電設(shè)備的發(fā)展，例如可卷曲顯示屏、智能電子、記憶芯片和可穿戴設(shè)備，驅(qū)動了便攜柔性的能量儲存器件的技術(shù)研究。其中鋰離子電池因具有高能量密度和大的輸出電壓，吸引了大量研究者的興趣。而超級電容器，因具有高功率密度和超長使用壽命，也成為儲能設(shè)備的另一個研究熱點。鐵（氫）氧化物資源豐富、成本低廉且對環(huán)境無害，而且理論容量高，在儲能方面的應(yīng)用具有良好前景。但是由于動力學(xué)的限制其導(dǎo)電性很差，并且在長時間充放電時材料體積膨脹導(dǎo)致穩(wěn)定性差，所以鐵氧

2、基電極材料還不能滿足實際需求。為了解決導(dǎo)電性和穩(wěn)定性問題，我們在三維導(dǎo)電骨架上生長納米材料，構(gòu)建納米三維整體式結(jié)構(gòu)。首先分散性良好的納米材料能夠最大程度發(fā)揮其理論容量，其次，三維導(dǎo)電骨架能夠提高其電子導(dǎo)電性和與電解液的滲透性，所以三維整體式結(jié)構(gòu)有望改善鐵（氫）氧化物的電化學(xué)性能。本論文主要展開了以下幾個方面的工作:
　　(1)通過水熱法，以氯化鐵為鐵源，通過調(diào)控反應(yīng)物的用量，在碳纖維布上直接生成出自組裝的束狀β-FeOOH納米棒陣

3、列(β-FeOOH/CC納米棒陣列)。首先在富Cl-的情況下有利于β-FeOOH納米棒的生成，其次NO3-離子的加入促使β-FeOOH納米棒分裂成束狀，最終形成束狀納米棒的特殊形貌。這種形貌不僅增加了材料的比表面積而且可以緩解充放電循環(huán)體積碰撞造成的應(yīng)力。另外，在保持反應(yīng)物濃度比例不變的情況下，通過增大反應(yīng)物的用量和調(diào)整碳布大小，可以實現(xiàn)擴大化制備，同時保持產(chǎn)物微形貌不變。
　　(2)由于β-FeOOH晶體結(jié)構(gòu)本身屬于體心立方密堆

4、積，比其它鐵氫氧化物較為疏松，而且β-FeOOH/CC納米棒陣列具有大比表面和多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)用于鋰離子負極材料時，β-FeOOH/CC電極顯示了非常高的比容量，約2840 mA g-1(2.21 mAhcm-2)。由于碳纖維布基底的高導(dǎo)電性，使得整體電極的倍率性能表現(xiàn)不俗，在10個倍率下(10Ag-1)，比電容仍然有568 mA g-1(0.43 mAh cm-2)，而且相比β-FeOOH粉末電極，β-FeOOH/CC整體電極的循環(huán)穩(wěn)定

5、性也得到提升。
　　(3)上述制備方法只能得到FeOOH，如果要得到Fe2O3,必須經(jīng)過后續(xù)煅燒。我們發(fā)現(xiàn)，通過進入MnOOH前驅(qū)體，可以在沒有表面活性劑或催化劑的情況下，在碳布上一步合成Fe2O3超細納米粒子。值得注意的是，MnOOH可以被Fe3+離子水解的產(chǎn)生的H+所溶解，而不會被最后的產(chǎn)物的成分產(chǎn)生影響。這里，MnOOH主要起到兩個作用，一是在前期反應(yīng)階段，阻止FeOOH在碳纖維表面的生長，起到保護作用;二是在后期反應(yīng)階段，

6、能被H+溶解，同時使得碳纖維表面原位酸性降低，促進剩余的Fe3+原位快速成核，一步生成Fe2O3,而且此時Fe3+濃度非常小，趨向于生成納米小顆粒。最終在碳纖維表面得到致密且有序排列的粒徑約為5 nm的Fe2O3納米粒子。
　　(4)Fe2O3/CC整體式材料具有非常大的比表面積319 m2 g-1,而且具有微孔和介孔的分級孔洞結(jié)構(gòu)。當(dāng)直接用作超級電容器電極時，同時表面出電化學(xué)雙層電容特性和氧化還原的贗電容特性，因而最大比電容可以