碳及鐵氧化物作為鋰離子電池負(fù)極的研究.pdf

1、朱守圃碳及鐵氧化物作為鋰離子電池負(fù)極的研究摘要商用鋰離子電池的負(fù)極材料為石墨，但石墨的理論容量較低，僅為372mAh2一，且目前對(duì)其應(yīng)用水平己接近其理論容量。碳材料已在鋰離子電池中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，通過對(duì)碳材料的改性，可以進(jìn)一步提高其能量密度，其中，通過靜電紡絲法制備多孔、中空和氮摻雜的碳納米纖維是研究的熱點(diǎn)之一。本論文通過對(duì)靜電紡絲法制備的石墨化的碳納米纖維改性，制備了石墨化的多孔碳納米纖維，其放電容量有了很大的提升。另外，過渡

2、金屬氧化物(transitionalmetaloxides，MO，M：Co、Ni、Cu和Fe等)中的鐵氧化物具有原材料豐富、理論容量高、價(jià)格低廉和環(huán)境友好等特性，但是純的鐵氧化物作為鋰離子電池的陽極材料在充放電過程中有較大的體積變化，產(chǎn)生較大的體積應(yīng)力進(jìn)而導(dǎo)致材料的聚合和晶體結(jié)構(gòu)的破碎，因而使得其循嚇性能較差。本論文將鐵籮他物與碳質(zhì)材料組成先進(jìn)的納米復(fù)合物，其儲(chǔ)鋰性能有了很大提升。碳材料一方面可以彌補(bǔ)鐵氧化物導(dǎo)電性的不足，另一方面可以通

3、過限制鐵氧化物的位置更好的維持其晶體結(jié)構(gòu)的完整，并且納米結(jié)構(gòu)的電極材料具有高比例的表面原子和小的尺寸等特征，這將增加電極和電解液間的接觸面積，縮短鋰離子的傳輸路徑，提高電極材料的倍率性能。本論文的研究主要分為以下五部分：1靜電紡絲法制備石墨化的多孔碳納米纖維作為鋰離子電池的陽極材料通過靜電紡絲和隨后連續(xù)獨(dú)特的三步煅燒過程：①在250℃的空氣中煅燒2h以對(duì)納米纖維進(jìn)行預(yù)氧化；②在1000℃的Ar氣氛中煅燒2h以對(duì)納米纖維進(jìn)行石墨化；③在4

4、00℃的空氣氣氛中煅燒不同的時(shí)間對(duì)碳纖維進(jìn)行造孔，制備了石墨化的多孔碳納米纖維。通過X射線衍射、熱重分析、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、高倍電子顯微鏡、拉曼光譜、四探針測(cè)試儀、比表面積測(cè)試儀和傅里葉紅外光譜分析儀等對(duì)碳納米纖維的物理特性進(jìn)行了測(cè)試和表征。以鋰片為對(duì)電極對(duì)材料進(jìn)行了扣式電池的組裝并進(jìn)行了循環(huán)伏安和恒電流充放電等電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果表明，石墨化的多孔碳納米纖維相對(duì)于石墨化的碳納米纖維具有更高的容量。在318h的400℃的空氣中

5、煅燒區(qū)間，隨著煅燒時(shí)間的延長碳納米纖維的容量不斷升高。當(dāng)煅燒時(shí)間增加到18h時(shí)，石墨化的多孔碳納米纖維在05Ag。1的電流密度于通過一而0次循環(huán)后其放電容量仿褰啊態(tài)到4735mAhg1。2靜電紡絲法制備高導(dǎo)電性的多孔碳包覆四氧化三鐵納米纖維復(fù)合物作為鋰離子電池的陽極材料朱守圃碳及鐵氧化物作為鋰離子電池負(fù)極的研究乙二醇作為還原劑在120℃進(jìn)行了水熱反應(yīng)，制備了還原石墨烯負(fù)載三氧化二鐵及還原石墨烯負(fù)載四氧化三鐵納米復(fù)合物。材料的結(jié)構(gòu)、形貌和

6、組成通過x射線衍射、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和熱重等進(jìn)行了表征和測(cè)試。以鋰片為對(duì)電極進(jìn)行了扣式電池的組裝，通過恒電流充放電和循環(huán)伏安對(duì)材料進(jìn)行了電化學(xué)表征。結(jié)果表明，以乙二醇和水的質(zhì)量比為3：l的溶劑制備的還原石墨烯負(fù)載四氧化三鐵納米復(fù)合物具有較好的電化學(xué)性能。其在05Ag。1的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)后，放電容量高達(dá)5613mAhg～。而以水合肼為還原劑，通過水熱反應(yīng)制備的還原石墨烯負(fù)載三氧化二鐵納米復(fù)合物具有最高的放電容量，

7、在05A一的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)后仍高達(dá)6096mAhg～。|JIIIIIIIIIIIIIIIIIIII5水熱法制備還原石墨烯負(fù)載鐵氧化物作為鋰離子電池的陽極材料Y3129851以lmmol氫氧化鐵為四氧化三鐵的前驅(qū)體，氧化石墨烯為還原石墨烯的前驅(qū)體，以125mL水合肼和1mmol二水合檸檬酸三鈉為混合還原劑，采用水熱法在180℃反應(yīng)12h制備了還原石墨烯負(fù)載四氧化三鐵的復(fù)合材料，而以125mL水合肼為還原劑在同等條件下制備的產(chǎn)物

8、為還原石墨烯負(fù)載三氧化二鐵復(fù)合材料。通過透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射和熱重分析等對(duì)產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了表征。以鋰片為對(duì)電極進(jìn)行了扣式電池的組裝，通過恒電流充放電和循環(huán)伏安法對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試和表征。結(jié)果表明，在05Ag。1的電流密度下還原石墨烯負(fù)載四氧化三鐵納米復(fù)合材料相對(duì)于還原石墨烯負(fù)載三氧化二鐵納米復(fù)合材料具有更高的放電容量，經(jīng)過100次循環(huán)后，還原石墨烯負(fù)載四氧化三鐵和還原石墨烯負(fù)載三氧化二鐵復(fù)合物的放