锂离子电池负极材料铁氧化物的制备及复合化改性研究

【摘要】随着锂离子电池在电动、混合动力车辆方面需求的不断增加,选择具有高容量、长循环寿命、高安全性的锂离子电池负极材料越来越受到关注。目前,过渡金属氧化物因其高的比容量而受到广泛的研究。而在过渡金属氧化物体系中,铁氧化物被认为是一种极具应用前景的锂离子电池负极材料,因为它理论容量高、成本低廉、资源丰富、环境友好等等。但其固有的低导电性、脱嵌锂过程中存在较大的体积收缩和膨胀以及较大的电压滞后等,导致了铁氧化物差的循环稳定性和较低的首次库伦效率,限制了其在商业生产中的应用。本论文旨在改善铁氧化物锂离子电池负极材料循环稳定性差以及首次库伦效率低的问题,采用复合化手段对其进行改性,主要研究内容与结果如下：(1)采用传统的银镜反应法,通过对预先水热合成的Fe203纳米棒进行表面包覆,制备了Fe2O3@Ag异质结构纳米棒复合材料。Ag纳米粒子的包覆大大提高了Fe203纳米棒的导电性,从而使Fe203纳米棒电极的电化学性能获得了较大的改善。在0.1C的充放电倍率下,复合材料电极在经历50个循环之后,仍然保持631.3mAhg-1的可逆容量,而且首次库伦效率获得了巨大的提高,达到83.5%。(2)采用静电吸引作用及随后的水合肼还原,以预先溶剂热法合成的中空结构Fe304微球和氧化石墨烯为原材料,制备出了石墨烯纳米片包裹的中空结构Fe304微球(GE-H-Fe3O4-MS)非原位复合材料。石墨烯纳米片良好的导电性以及对应力的缓冲作用在一定程度上改善了材料的电化学性能,在200mAg-1的充放电倍率下,非原位复合材料电极经过80个循环后,可逆容量为471.9mAhg-1,远高于单纯H-Fe3O4-MS材料电极。(3)采用简单的一步溶剂热法及随后的高温退火,制备了等级结构的Fe304微球/石墨烯纳米片(H-Fe3O4-MS/GNS)原位复合材料。该复合材料中,石墨烯和Fe304微球是通过强烈的共价耦合联系在一起的,两者的协同效应使得复合材料拥有优异的电化学性能。在200和500mAg-1的充放电倍率下,经过70个循环后,容量分别为1171.6mAhg-1和940.4mAhg-1;当在200、500、1000、2000和3000mAg-1下进行倍率充放电时,依然保持了较高的可逆容量,分别为1015、992、935、852和745mAhg-1,并且经过60个循环之后,当再次回到200mAg-1的充放电倍率时,容量能快速的达到1016mAhg-1。
【作者】王廷强；
【导师】涂江平；
【作者基本信息】浙江大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】铁氧化物；负极材料；锂离子电池；复合化；电化学性能；

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