量子點(diǎn)四氧化三鐵-碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備及性能研究.pdf

1、鋰離子電池在能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換中因具有長(zhǎng)循環(huán)壽命，高能量密度和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注。眾所周知，決定鋰離子電池具有良好性能的器件主要是正負(fù)極材料。目前，商業(yè)化石墨是鋰離子電池主要負(fù)極材料。盡管石墨相對(duì)于其它負(fù)極材料具有資源豐富，價(jià)格低廉，穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，但是較低的理論容量（372 mAh g-1）卻進(jìn)一步限制了它商業(yè)化發(fā)展。Fe3O4相對(duì)于石墨是一種具有潛在的負(fù)極材料，其理論容量為926 mAh g-1，且具有無(wú)毒，低成本，資源豐富的優(yōu)點(diǎn)。

2、但是其本身導(dǎo)電率差，且在充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的體積變化造成納米顆粒粉化和結(jié)構(gòu)坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致差的循環(huán)性能和倍率性能。因此，開發(fā)一代高性能的負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池性能的提升具有非常重要的意義。
　　本文主要通過(guò)一種新穎的制備方法和選材，對(duì)材料組分和結(jié)構(gòu)加以設(shè)計(jì)和調(diào)控，最終制備出不同結(jié)構(gòu)的一維，二維，三維碳包覆的 Fe3O4復(fù)合材料。主要亮點(diǎn)為以下幾點(diǎn)，（1）、選擇不同基材和運(yùn)用新穎的金屬-有機(jī)限域交聯(lián)法任意調(diào)控碳層厚度和制備不同形

3、貌結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，（2）、分布均勻且量子點(diǎn)大小的 Fe3O4納米顆粒，（3）、電極材料具有層次孔結(jié)構(gòu)和高比表面積。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，上述亮點(diǎn)正是優(yōu)化電極材料性能的重要因素，碳包覆不僅可以提高整個(gè)電極材料的導(dǎo)電率，而且能有效緩沖體積膨脹。超小粒徑的 Fe3O4縮小了鋰離子的傳輸距離和減緩了體積膨脹。層次孔結(jié)構(gòu)和高比表面積更能提高電解液和電極材料的接觸面積，縮短鋰離子和電子的傳輸距離，加快電解液的傳輸速率。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　1、

4、以金屬-有機(jī)雜化分子二茂鐵為碳和金屬氧化物共同前驅(qū)體及其SiO2為模板，通過(guò)金屬-有機(jī)限域交聯(lián)法合成 Fe3O4 dots/C空心納米球。系統(tǒng)調(diào)控了SiO2模板大小，從而制備不同大小的空心納米球并研究其電化學(xué)性能。Fe3O4 dots/C空心納米球在電流密度為3000 mA g-1時(shí)，比容量為550 mAh g-1，在電流密度為500 mA g-1，循環(huán)200圈后比容量依然能保持1000 mAh g-1，顯示出良好的循環(huán)性能和倍率性能。

5、另外，通過(guò)調(diào)控二茂鐵的含量可設(shè)計(jì)合成不同結(jié)構(gòu)形貌的超薄納米片。當(dāng)二茂鐵含量為5 mg時(shí)合成出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)超薄納米片，二茂鐵為10 mg時(shí)可制備出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)超薄半空心球，二茂鐵為20 mg時(shí)可合成結(jié)構(gòu)破碎的空心納米球。以三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)超薄半空心球作為負(fù)極材料時(shí)，在電流密度為50 mA g-1時(shí)，首次放電容量為2611 mAh g-1，循環(huán)200圈后比容量為1015 mAh g-1。
　　2、運(yùn)用限域交聯(lián)反應(yīng)同時(shí)誘導(dǎo)生長(zhǎng)的方法，以氧化

6、石墨烯為基材，金屬-有機(jī)雜化分子二茂鐵為碳和金屬氧化物共同前驅(qū)體，制備了三明治型G@Fe3O4/C的復(fù)合材料。當(dāng)用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，G@Fe3O4/C復(fù)合材料在電流密度為500 mA g-1時(shí)，循環(huán)200圈后，可逆容量穩(wěn)定在980 mAh g-1，在電流密度為3000 mA g-1時(shí)，容量高達(dá)為638 mAh g-1。上述優(yōu)秀的性能可能歸結(jié)于以下原因：（1）、超小 Fe3O4納米離子可縮短鋰離子分布路徑從而加快了鋰離子反應(yīng)，（2）

7、、石墨烯和無(wú)定形碳上的層次孔促進(jìn)了電解液的分布和轉(zhuǎn)移，同時(shí)作為體積變化的緩沖體，（3）、石墨烯提供了柔軟和高強(qiáng)度的導(dǎo)電骨架緩沖了巨大體積變化。
　　3、以碳納米管為基材，金屬-有機(jī)雜化分子二茂鐵為前驅(qū)體，通過(guò)限域交聯(lián)法成功制備了 CNT@Fe3O4 dots/C同軸納米線。CNT@Fe3O4 dots/C有著獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)和組分，其包括超小的 Fe3O4納米顆粒均勻的分布在碳層里（~5 nm），通過(guò)二茂鐵含量可任意調(diào)控 CNT殼層