纳米硅酸盐@C比表面积调控与电化学性能研究

发布时间：2020-07-14 12:09

【摘要】：以不同纳米二氧化硅(SiO_2)作硅源,利用固相反应法成功控制了Fe_2SiO_4/C和Li_2FeSiO_4/C复合材料的比表面积。利用C_6H_5O_7(NH_4)_3,FeC_2O_4·2H_2O和比表面积分别是221,263,325 m~2/g纳米多孔SiO_2为原料,合成了超细多孔Fe_2SiO_4/C复合材料(FS221/C,FS263/C和FS325/C)。XRD结果证明三种样品均属α-Fe_2SiO_4相。SEM说明三种样品都是由粒径为30-70 nm颗粒和200-400 nm的亚微米颗粒构成的复合物。孔结构分析证明超细多孔的Fe_2SiO_4/C复合材料的外表面积能够通过纳米多孔SiO_2来调控,FS325/C的外表面积是三者中最高的。这些独特的性质使FS325/C在三个样品中具有最好的可逆储锂容量,最好的倍率、循环性能和最高的锂离子扩散系数。以气相纳米SiO_2(FNS)和纳米SiO_2(NS)分别合成了介孔Li_2FeSiO_4/C复合材料(LFS-FNS和LFS-NS)。XRD证明LFS-FNS和LFS-NS晶体结构均属单斜晶系P2_1空间群Li_2FeSiO_4。SEM证明了LFS-FNS和FNS的粒径大小集中在25-40 nm,比LFS-NS和NS的粒径略小,充分证明了Li_2FeSiO_4/C复合材料的粒径能够通过选择不同粒径的SiO_2所调控。TEM进一步证明了Li_2FeSiO_4/C纳米颗粒均匀的分布在无定形碳构成的网络中。比表面积分析证明LFS-FNS和FNS的外表面积分别是51.4和36.1 m~2/g,因此介孔Li_2FeSiO_4/C纳米材料的孔结构特性能够用不同纳米Si O_2作硅源所调控。减小的粒径和较高的外表面积缩短了锂离子扩散路径使LFS-FNS具有较出色的电化学性能,LFS-FNS在0.1 C的放电容量高达172 mAh/g。通过SBA-15和纳米SiO_2分别合成了多级介孔棒束状Li_2FeSiO_4/C复合材料(简称HMLFS-SR)和普通形貌的Li_2FeSiO_4/C复合材料(简称LFS)。XRD证明HMLFS-SR和LFS中都含有Li_2FeSiO_4晶体和少量的Fe_3O_4杂质。SEM观察到HMLFS-SR是由纳米颗粒构成的多级棒束状结构。EDS证明了Fe,Si,C,O元素均匀的分布在整个棒束状的Li_2FeSiO_4/C中。氮气脱吸附分析证明了HMLFS-SR是典型的介孔材料,具有47 m~2/g的外表面积,比LFS更高。HMLFS-SR在0.1C展现了较高的放电比容量212.2 mAh/g,除此之外,HMLFS-SR也具有更稳定的循环性能,更低的电荷转移阻抗和更高的锂离子扩散系数。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

扫描电子显微镜,图片,形貌表征,电极材料

203.3.2 Fe2SiO4/C 电极材料形貌表征图 3.2 （a）、（b）FS221/C，（d）、（e）FS263/C，（g）、（h）FS325/C 的扫描电子显微镜图片；（c）NPS221、（f）NPS263、（i）NPS325 的扫描电子显微镜图片

透射电子显微镜,图片,纳米颗粒

硕士学位论文如图 3.2（a）、（b），（d）、（e）和（g）、（h）分别为 FS221/C、FS263/C 和FS325/C 的扫描电子显微镜图片。从低倍率的电镜图中可以看出三个样品的微观形貌非常相似，它们都是由亚微米颗粒和纳米颗粒团聚而成，并且粒径大小也很接近。这表明纳米多孔 SiO2和 FeC2O4·2H2O 在高温煅烧下能够合成较大的亚微米 Fe2SiO4颗粒。在高倍率的图片中，经过统计计算三种样品的纳米颗粒粒径分布在 30-70nm 左右，亚微米级的颗粒粒径分布在 200-400nm。图 3.2（c）、（f）、（i）分别是 NPS221，NPS263 和 NPS325 的扫描电子显微镜图片。在图 3.2（c）、（f）中可以看出 NPS221 和 NPS263 纳米颗粒形成了较多较大的团聚体。它们一次颗粒的粒径大多分布在 10-20 nm，也有一些粒径在 25-40 nm。如图 3.2（i）所示，可以观察到 NPS325 有较少的团聚体和一些微小的纳米颗粒，粒径分布在10-20 nm。

元素分布图

（a）FS325/C的扫描透射电子显微镜图；（b）Fe、（c）Si、（d）O、（e）C和（f）N的元素分布图

【参考文献】