鋰離子電化學嵌入-脫嵌對尖晶石結(jié)構(gòu)鐵氧體磁性動態(tài)調(diào)控的研究.pdf

1、磁電調(diào)控指的是通過施加一個電場來改變（控制）材料磁性的方法。目前，常用的調(diào)控技術(shù)有:以輸運電荷為媒介利用強關(guān)聯(lián)體系磁性對能級占據(jù)的敏感性進行磁電調(diào)控;以界面間的應(yīng)力為媒介利用材料間的耦合效應(yīng)進行的調(diào)控;以及利用本征的多重鐵性材料及其復合結(jié)構(gòu)進行的調(diào)控方法等。在這些方法中，大多數(shù)研究的開展都是基于表面或界面效應(yīng)，因此人工磁電調(diào)控體系的作用范圍基本被限制在界面附近，這在很大程度上限制了器件的應(yīng)用。為了克服現(xiàn)有磁電調(diào)控技術(shù)的不足，我們開展了以

2、鋰電池結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，基于鋰離子電化學遷移的材料磁性電調(diào)控特性研究。
　　鋰離子電池是一種利用鋰離子進行儲能/供能的能源器件。由于鋰離子帶有一個單位正電荷，在嵌入和脫嵌電極材料的過程中會引起材料氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，進而引起電極材料中部分元素得失電荷的過程。對于一些電極材料，如過渡族金屬氧化物中的鐵氧體，這一過程伴隨有磁性的變化，因而可以將其用作磁電調(diào)控的一種手段。同時，由于鋰離子的作用范圍可以深入到材料內(nèi)部，可以突破界面限制，獲得較大

3、的磁性變化值。在傳統(tǒng)的磁學研究中，這種磁電調(diào)控方法很少被人研究。
　　我們希望借助鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)，研究鋰離子在尖晶石相鐵氧體電極材料中嵌入/脫嵌所引起的磁性變化，以鋰離子為媒介，開發(fā)新的磁電調(diào)控器件。這不僅能夠突破傳統(tǒng)人工磁電調(diào)控體系在作用深度上的限制，磁性的變化還能夠作為電池充放電過程的一種原位表征手段，幫助我們理解鋰電池中的動態(tài)反應(yīng)機理。
　　本文中我們首先利用自制的可用于原位磁性測量的膠囊電池探索了尖晶石相鐵氧體

4、中磁性的電化學調(diào)控，利用Fe3O4和特殊結(jié)構(gòu)的NiFe2O4初步研究了材料種類和微觀形貌等因素對調(diào)控結(jié)果的影響。實現(xiàn)了對磁性信號較大的調(diào)控效果，將循環(huán)時間縮短到10分鐘左右，并且可以通過施加更大的電流實現(xiàn)更快的磁性變化。同時我們借助非原位結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)的表征嘗試理解調(diào)控過程中磁性變化的機理，認為除了價態(tài)以外存在其他的影響著磁性響應(yīng)的因素。
　　為了搞清楚鋰離子電化學過程中引起磁性變化的主要原因，我們在MnFe2O4和γ-Fe2O3

5、電極材料中做了一系列工作。通過結(jié)構(gòu)、磁性和電化學特性等表征手段和理論模擬計算，分析了鋰離子從剛剛嵌入材料晶格到使得電極材料從尖晶石相完全轉(zhuǎn)化為巖鹽相間的整個過程，發(fā)現(xiàn)Li嵌入導致的磁性離子交換作用的改變是磁性變化的主要因素。
　　為了克服液態(tài)電解質(zhì)帶來的容易泄漏、組裝困難、穩(wěn)定性差等問題，我們制備了全固態(tài)的薄膜鋰離子電池。選用Fe3O4作為磁性材料，選用LiCoO2作為對電極，采用鋰離子傳輸速率接近液態(tài)電解質(zhì)的0.3mm厚商用LI