酞菁鐵(FePc)應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料及其嵌鋰機(jī)理的研究.pdf

1、因?yàn)殇囯x子電池（LIBs）具有能量密度大、工作電壓高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞,并廣泛用于便攜式電子設(shè)備和電動車中的能源存儲系統(tǒng)。目前，石墨型碳材料在LIBs的陽極材料中扮演著重要角色。然而，其理論比容量低，嚴(yán)重限制了高能量密度的LIBs的發(fā)展。高能量密度的非碳負(fù)極材料比如金屬氧化物，合金，硅等在鋰離子嵌入和脫出的過程中產(chǎn)生巨大的體積變化，導(dǎo)致容量衰減，影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。因此，許多科研人員正致力于研究環(huán)境友好、可靈活設(shè)計(jì)、低能耗

2、的有機(jī)負(fù)極材料。
　　酞菁鐵（FePc）是一種含有大π共軛和多芳香環(huán)的具有二維平面結(jié)構(gòu)的金屬有機(jī)化合物，被認(rèn)為是非常有吸引力的LIBs電極材料的候選著。FePc被證實(shí)每個C6環(huán)可以可逆的接受6個鋰離子，形成Li6/C6復(fù)合物。此外，氧化還原反應(yīng)可以發(fā)生在具有孤電子對的原子上，比如不飽和 N原子，導(dǎo)致意想不到的理論比容量。同時，F(xiàn)ePc是一種二維平面分子，平行排列，形成層狀結(jié)構(gòu)，鋰離子可以容易的嵌入分子的層間。然而，盡管FePc是具

3、有高電子云密度的大π共軛結(jié)構(gòu)分子，但其導(dǎo)電性仍然較差。二維碳納米材料如石墨烯(GN)，由于其優(yōu)異的內(nèi)在特性，已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注，特別是高的導(dǎo)電性和柔韌性。其優(yōu)異的性能使得GN適宜作為LIBs電極材料。為了提高整個電極系統(tǒng)的電子傳導(dǎo)性，石墨烯在本研究中用作導(dǎo)電劑(同時也作為活性材料)。研究內(nèi)容主要包括以下幾部分：
　　(1)通過將FePc和GN機(jī)械共混制備了一系列不同比例的FePc/GN復(fù)合電極材料用于鋰離子電池負(fù)極材料。研究了GN

4、含量對FePc/GN復(fù)合電極電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨著GN含量的增加，活性材料FePc與GN能夠充分接觸，使得復(fù)合電極體系電荷傳導(dǎo)暢通。當(dāng)FePc與GN質(zhì)量比為1:2.25，復(fù)合電極的容量達(dá)到最佳值為1200 mAh g-1。在300-2000 mA g-1大電流密度下的倍率性能表現(xiàn)優(yōu)異，2000 mA g-1電流密度下仍有45％的容量保留率。當(dāng)電流密度回復(fù)到300 mA g-1時，可逆容量能夠恢復(fù)到1185 mAh g-1，這種

5、優(yōu)異的倍率性能主要?dú)w因于FePc分子共軛體系的穩(wěn)定性。
　　(2)通過對 FePc/GN復(fù)合電極中 FePc在電極體系中容量貢獻(xiàn)的計(jì)算。發(fā)現(xiàn)FePc的容量貢獻(xiàn)值隨著GN含量的增加而不斷增加。當(dāng)FePc/GN的比例為1:2.25，F(xiàn)ePc的容量貢獻(xiàn)值達(dá)到最大值為2275 mAh g-1。通過電化學(xué)測試和初步計(jì)算，在FePc分子平面上的比容量為1792 mAh g-1，在FePc分子層與層間的比容量為483 mAh g-1。

6、如此優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于FePc分子中的大π共軛結(jié)構(gòu)，擁有豐富的孤電子對的N原子、芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，和平面FePc分子互相平行堆疊著形成的層狀結(jié)構(gòu)。另外，石墨烯由于其優(yōu)異的電導(dǎo)性和柔韌性在電極中提供了良好的電荷傳導(dǎo)。FePc和GN的協(xié)同效應(yīng)使得FePc/GN復(fù)合電極擁有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
　　(3)將 FePc和 H2Pc在復(fù)合電極中循環(huán)性能進(jìn)行對比，結(jié)果顯示在1/2.25-H2Pc/GN復(fù)合電極中 H2Pc的容量貢獻(xiàn)值為1503 m