鐵基氧化物及其與石墨烯復(fù)合材料的制備和電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備和電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車。過(guò)渡金屬氧化物中的鐵基氧化物(Fe2O3、Fe3O4)由于具有理論容量高、無(wú)毒、價(jià)格低廉、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較有前途的鋰離子負(fù)極材料，并引起研究者的廣泛關(guān)注。然而鐵基氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料存在一些問(wèn)題，在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的體積形變導(dǎo)致循環(huán)性能差，以及自身導(dǎo)電率低，首次不可逆容量損失的多。目前主要有以下兩種策略對(duì)其電化

2、學(xué)性能進(jìn)行改善：一是納米結(jié)構(gòu)化，另外一種方法是制備鐵基氧化物與碳復(fù)合材料來(lái)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高鐵基氧化物的導(dǎo)電性?；谝陨系年P(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，本文采用水熱法合成Fe2O3納米盤，通過(guò)在空氣中煅燒合成多孔 Fe2O3納米盤，在氫氬混合氣（H2含量為5％）中煅燒制備多孔 Fe3O4納米盤。利用水熱法原位合成石墨烯與鐵基氧化物的復(fù)合材料，并研究了復(fù)合材料的電化學(xué)性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以硝酸鐵為鐵源，尿素為沉淀劑，丙三醇和水為溶

3、劑，通過(guò)水熱法合成暴露(001)晶面的 Fe2O3納米盤。研究結(jié)果表明：溫度、尿素的量以及水量會(huì)影響材料的結(jié)構(gòu)和形貌。尿素起均相沉淀劑的作用，丙三醇在納米盤形成過(guò)程中起主要作用，吸附在(001)晶面上，抑制了(001)晶面的生長(zhǎng)。Fe2O3納米盤的形成機(jī)理為：沉淀-溶解-定向生長(zhǎng)，也就是小顆粒溶解，再結(jié)晶，然后沿著垂直[001]方向生長(zhǎng)形成暴露(001)晶面的納米盤。Fe2O3前軀體在空氣氛下煅燒之后形成多孔Fe2O3納米盤，由于暴露的

4、(001)面能夠接受更多的鋰離子和小尺寸效應(yīng)，促進(jìn)了電子和離子的傳輸。納米盤結(jié)構(gòu)中的納米孔在充放電過(guò)程中緩解材料體積的變化，使材料更加穩(wěn)定。前軀體在氫氬混合氣下煅燒得到Fe3O4納米盤，進(jìn)一步提高其電子電導(dǎo)率，電化學(xué)性能得到很大提高。⑵在上述制備Fe2O3納米盤的基礎(chǔ)上，通過(guò)水熱法原位合成Fe2O3納米片和RGO的復(fù)合物。結(jié)果表明：石墨烯的引入并沒(méi)有改變Fe2O3的形貌和結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e2O3納米片均勻地分散到石墨烯上。由于石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)

5、電性，極大地提高了復(fù)合材料的電化學(xué)性能。通過(guò)對(duì)石墨烯加入量的優(yōu)化，當(dāng)RGO含量為22.3%時(shí)，該復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。在5A/g的電流密度下有560mAh/g的放電比容量；在500mA/g的電流密度下充放電50次后仍保留850 mAh/g的放電比容量。⑶利用H2O2在Fe3+和有機(jī)酸性條件下通過(guò)改變尿素和 H2O2的量合成了 Fe3O4納米顆粒與石墨烯的復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，隨著H2O2量的增加，顆粒的尺寸先減小后增大；