Fe3O4-石墨烯納米復(fù)合材料的制備及在鋰離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛、最有前景、研究最多的電池之一,而金屬氧化物因其低電極電位、高儲鋰容量的優(yōu)點被作為鋰離子電池負(fù)極材料廣泛研究。其中, Fe3O4因理論容量高(924 mAh·g-1),電子電導(dǎo)率高,低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點被廣泛研究,但其在充放電過程中會發(fā)生較大的體積變化,導(dǎo)致電池循環(huán)性能較差,所以在鋰離子電池的應(yīng)用上受到了阻礙。而石墨烯因高導(dǎo)熱率,高機械性能,良好的電子電導(dǎo)率和大的比表面積被作為鋰離子電池材料研究,表現(xiàn)出了大的

2、可逆比容量,但初始庫侖效率低,容量衰減快。本論文主要通過制備Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料來解決上述問題。
　　(1)通過改進(jìn)的Hummers法制得氧化石墨,采用超聲剝落得到氧化石墨烯,利用檸檬酸鈉將氧化石墨烯膠液還原為石墨烯。并應(yīng)用XRD,FT-IR,UV,SEM,TEM觀察比較了各個階段產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。結(jié)果顯示,石墨被氧化為氧化石墨,檸檬酸鈉成功的將氧化石墨還原成石墨烯納米片,但是層數(shù)較厚,還有望進(jìn)一步改進(jìn)。接著采用共沉淀法

3、以 FeCl3和 FeCl2·4H2O為鐵鹽,NaOH溶液作為沉淀劑,回流制取了Fe3O4納米粒子。表征結(jié)果表明,成功的制取了Fe3O4納米粒子,其粒徑分布在10nm左右。
　　(2)用共沉淀法在氧化石墨烯膠液中合成了三種不同配比的 Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料,并計算出每種復(fù)合材料中的各物質(zhì)的質(zhì)量比。接著用XRD,FT-IR,SEM, TEM表征了Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料,結(jié)果表明,在復(fù)合材料中,Fe3O4納米粒子以類球

4、狀的形式分散在石墨烯表面,其粒徑從幾納米到幾十納米不等。最后將Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料和純Fe3O4納米粒子分別組裝成鋰離子電池,恒電流充放電測試表明,在電壓范圍為0.01—3.0V,電流密度為100mA·g-1時,Fe3O4納米粒子,Fe3O4/G1, Fe3O4/G2,Fe3O4/G3的首次充電比容量依次為641.3 mAh·g-1,623 mAh·g-1,641 mAh·g-1,679 mAh·g-1;20次循環(huán)之后,可逆比

5、容量依次為92 mAh·g-1,243 mAh·g-1,301 mAh·g-1,465 mAh·g-1;庫倫效率依次為72.8％,79.9％,79.4％,81.3％。結(jié)果表明,Fe3O4/石墨烯納米復(fù)合材料組裝成的電池循環(huán)性能比純 Fe3O4納米粒子的更為優(yōu)異,且Fe3O4/G3(含F(xiàn)e3O4納米粒子44％)的可逆性和循環(huán)性能最好。交流阻抗測試結(jié)果表明,Fe3O4納米粒子、Fe3O4/G1、Fe3O4/G2、Fe3O4/G3,固體電解質(zhì)

6、膜(SEI)和電荷轉(zhuǎn)移電阻依次減小,鋰離子的擴散程度依次增大,電池的反應(yīng)動力學(xué)越來越好。
　　(3)通過在草酸存在的情況下在氧化石墨烯膠液中用Fe來還原氧化石墨烯,經(jīng)XRD,FT-IR,SEM表征,既可得到石墨烯納米片,又可得到 Fe3O4/石墨烯-Fe復(fù)合材料;在氧化石墨烯膠液中加入FeC2O4·H2O,可得到Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料。
　　(4)將所得Fe3O4/石墨烯-Fe復(fù)合材料和Fe3O4/石墨烯復(fù)合材料作為工作

7、電極分別組裝成鋰離子電池,在電壓范圍為0.01—3.0V,電流密度為100mA·g-1時,鋰離子電池首次循環(huán)時的充電比容量分別為801.7 mAh·g-1,718.7 mAh·g-1;庫倫效率分別為69.4％,63.3％,20次循環(huán)之后,充電比容量分別為398.5 mAh·g-1,312 mAh·g-1,可逆容量保持率分別為49.7％,43.4％。交流阻抗結(jié)果表明,兩者相比,Fe3O4/石墨烯-Fe復(fù)合材料的固體電解質(zhì)膜(SEI)和電荷