納米Fe3O4-石墨烯電極材料制備及電化學性能研究.pdf

1、鋰離子二次電池具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)穩(wěn)定性好、安全無污染等優(yōu)點，是發(fā)展很快和最受重視的高能蓄電池之一。目前鋰離子電池商用碳負極材料由于比容量低已不能滿足鋰離子電池在高功率器件中的應用需要，因此開發(fā)新型的高比能量的鋰離子電池負極材料已成為電池研究領域的重要課題之一。Fe3O4具有理論比容量高、資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好的優(yōu)點，是一種非常具有應用前景的鋰離子電池負極材料。但是，它存在循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差的缺點。本論文在探索制各F

2、e3O4和石墨烯的工藝條件基礎上，原位合成了Fe3O4納米棒/GNS復合材料，用水熱法一步合成了Fe3O4/碳/還原的氧化石墨烯(簡稱Fe3O4/C/rGO)復合材料并對其電化學性能進行研究。
　　 以亞鐵鹽為鐵源，水合肼為氧化劑，在pH＞10的條件下，反應12h，可以形成單一物相的Fe3O4磁性納米粒子。亞鐵鹽原料不同，反應速率不同。納米Fe3O4在0.1C倍率下，放、充電比容量分別為1060和752mAh/g，首次庫侖效率為

3、71％，但是其循環(huán)性能和倍率性能差。
　　 石墨經(jīng)濃硫酸插層反應1h，高錳酸鉀氧化反應2.5h，高溫反應0.25h后基本氧化完全，其中含有較多的羧基、羥基和環(huán)氧基。水合肼可以將氧化石墨烯中羧基、羥基及部分環(huán)氧基團還原，并在石墨烯中形成較小的共軛區(qū)域。pH值、反應時間、熱處理溫度等對氧化石墨烯的還原程度有一定影響。制備的石墨烯片無序排列，任意卷曲，片層與片層之間相互堆積。GNS中具有3-4nm的介孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為373.42m

4、2/g，總孔體積為0.47mL/g。
　　 以硫酸亞鐵銨和氧化石墨為反應原料，在pH大于11的水熱條件下成功合成了Fe3O4納米棒/石墨烯復合材料(FNGC)。FNGC中具有共軛結(jié)構(gòu)，但有部分未還原的環(huán)氧基團。卷曲的石墨烯片層上覆蓋著大量的Fe3O4棒狀結(jié)構(gòu)，分布均勻，棒之間基本無團聚現(xiàn)象。Fe3O4納米棒直徑11nm左右，長度大于100nm。Fe3O4為反尖晶石磁鐵礦晶相。石墨烯片層距離大約為0.41nm。N2吸附脫附曲線表明

5、，F(xiàn)NGC的比表面積為180m2/g，總孔體積0.26mL/g，具有介孔結(jié)構(gòu)。通過對FNGC制備工藝條件如pH值、攪拌速度、反應溫度、反應時間對產(chǎn)物形貌的影響，分析了FNGC的形成機理。FNGC負極首次放、充電比容量分別為:1538mAh/g和925mAh/g，庫侖效率60.2％。在1C放、充電循環(huán)80次后，放、充電比容量保持率分別為80.5％和90％。在5C倍率下循環(huán)，依然具有66.78％和63.80％的放、充電比容量維持率。其電化學

6、性能相對Fe3O4納米顆粒/石墨烯復合材料，得到了有效地改善。通過四氧化三鐵的形貌，GNS的含量、熱處理溫度對FNGC電化學性能的影響研究發(fā)現(xiàn)Fe3O4在石墨烯表面上的分布狀況對復合物的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性有很大的關系。納米Fe3O4均勻地覆蓋在石墨烯表面的復合結(jié)構(gòu)是得到優(yōu)良電化學性能的有力保障。
　　 以FeCl3、葡萄糖、氧化石墨為原料，在15MPa，400℃下反應12h，一步合成了Fe3O4/C/rGO復合材料(FCRG)