納米Fe2SiO4-C鋰離子電池負(fù)極材料制備與性能研究.pdf

1、Fe2SiO4是重要的造巖硅酸鹽，也是地球表面最豐富的礦產(chǎn)資源之一。Fe2SiO4存在兩種結(jié)構(gòu)：橄欖石結(jié)構(gòu)(正交晶系α-Fe2SiO4相，通常命名為正硅酸亞鐵)和尖晶石結(jié)構(gòu)(立方體的γ-Fe2SiO4相)。與γ-Fe2SiO4相比較，正硅酸亞鐵在環(huán)境溫度下比較穩(wěn)定且在自然資源中容易獲得。然而，據(jù)我們所知，很少有Fe2SiO4作為鋰離子電池負(fù)極材料的制備與其電化學(xué)性能的相關(guān)報導(dǎo)。本文采用傳統(tǒng)的高溫固相法，主要從優(yōu)化合成工藝條件、表面碳包覆

2、和體相金屬離子摻雜三方面改善Fe2SiO4材料的電子電導(dǎo)率和鋰離子擴散速度來提高其電化學(xué)性能。作為理論上的研究，通過電化學(xué)測試方法并結(jié)合元素分析、XRD、SEM和TEM等表征，對Fe2SiO4/C材料的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。正硅酸亞鐵以高比容量、優(yōu)異的倍率性能、低成本和制備簡單等優(yōu)勢，將可能更有潛力成為鋰離子電池負(fù)極材料。主要研究內(nèi)容包括：
　　(1)分別以三種不同粒徑的納米SiO2(15±5 nm、30±5 nm和5

3、0±5 nm)為硅源，采用高溫固相法合成了Fe2SiO4/C納米復(fù)合材料，研究了原料SiO2粒徑大小對Fe2SiO4/C材料電化學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，粒徑為30±5 nm的SiO2制備的樣品(FS30)在結(jié)構(gòu)、形貌和電化學(xué)性能方面都優(yōu)于其他兩種粒徑所合成的樣品；
　　(2)采用高溫固相法，以SiO2(30±5 nm)為硅源，F(xiàn)eC2O4·2H2O為鐵源，(NH4)3C6H5O7為碳源，在其他條件一致，在600℃、700℃和8

4、00℃不同溫度下，對Fe2SiO4/C材料的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究表明：在700℃下制備的材料具有完整的晶體結(jié)構(gòu)和良好的分散性，平均粒徑為33.8 nm，且具有最好的倍率性能和循環(huán)性能；
　　(3)采用高溫固相法，以(NH4)3C6H5O7為絡(luò)合劑和碳源，F(xiàn)eC2O4·2H2O和納米SiO2(30±5 nm)為原料，在優(yōu)化條件下制備了Fe2SiO4/C納米復(fù)合材料，研究了不同碳包覆量對Fe2SiO4材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。

5、通過元素分析、XRD、SEM和TEM等表征及電化學(xué)性能測試分析，分析表明：以15％的碳包覆合成的Fe2SiO4/C復(fù)合材料(記作 FS/C(15%))具有最好的結(jié)構(gòu)形貌和電化學(xué)性能，而純相材料電化學(xué)性能較差。FS/C(15%)材料粒徑分布在20~40 nm之間，在0.1C倍率下首次放電比容量為849 mAh·g-1，在高倍率3C時比容量仍為379.2 mAh·g-1，在1C倍率下經(jīng)100次循環(huán)放電比容量由440.6 mAh·g-1下降到

6、376.7 mAh·g-1，比容量保持率為85.5%，且具有較好的循環(huán)性能，整個循環(huán)過程中庫倫效率保持在98.5%以上；
　　(4)以納米SiO2(30±5 nm)，15%的(NH4)3C6H5O7和FeC2O4·2H2O為原料，根據(jù)最佳條件合成Fe2SiO4/C納米復(fù)合材料，研究了不同F(xiàn)e/Si含量對材料電化學(xué)性能的影響。通過XRD和SEM表征及電化學(xué)性能測試可得出：隨著Fe/Si變小，合成樣品純度降低、粒徑增大，F(xiàn)e/Si(2

7、:1)合成樣品的平均粒徑都小于其他比例且具有最優(yōu)的電化學(xué)性能。
　　(5)通過高溫固相法制備橄欖石結(jié)構(gòu)的鎂離子摻雜取代Fe位的Fe2-xMgxSiO4/C納米復(fù)合材料，并研究了不同鎂量的摻入對Fe2SiO4/C材料電化學(xué)性能的影響。電化學(xué)測試表明：隨著摻雜鎂量的增加，合成樣品的倍率性能和循環(huán)性能逐漸減?。划?dāng)x=0.1(Fe1.9Mg0.1SiO4/C)時合成樣品具有最佳的電化學(xué)性能，在0.1C倍率下首次充放電比容量分別為836.3