Fe 2 SiO 4 /C纳米复合物制备与储锂性能综合实验教学设计与实践
发布时间：2021-06-24 10:40
根据应用化学与化学材料的学科特点,设计了锂离子电池负极材料Fe2SiO4/C纳米复合物制备与储锂性能的综合实验。实验内容包括文献查阅、基本原理探究、材料制备、材料表征、实验结果分析。实践证明,该实验有助于大学生了解和掌握锂离子电池的制备工艺、纽扣电池组装方法以及储锂性能测试等知识,有助于培养大学生的创新能力和综合素养。
【文章来源】：实验技术与管理. 2020,37(02)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
FS、FS/C的XRD图
FS/C中没有观察到碳的衍射峰，表明纳米复合物中的Fe2SiO4晶体衍射峰较强并且包覆碳以无定型形式存在。图1FS、FS/C的XRD图由图2(a)的FS的SEM图可以看出，FS材料是由球形纳米粒子组成，经过统计分析，粒径主要分布在50~130nm。由FS/C的SEM图（图2(b)），FS/C微观形貌与FS相似，但粒径更小，分布在10~80nm，主要集中在20~40nm。FS的粒径明显大于FS/C的粒径，这是因为原位碳包覆限制了Fe2SiO4纳米粒子的生长。粒径的减小缩短了锂离子的扩散路径，有利于提高FS/C的电化学性能[4,10]。图2FS和FS/C的SEM图
66实验技术与管理材料的结构与其性能息息相关，学生通过材料表征和电化学性能分析，深刻地理解电池材料的结构与性能的关系。在此基础上，可以进一步启发学生思考：怎样优化制备工艺才有可能获得性能优良的锂离子电池负极材料？2.3电化学性能测试图3(a)是FS和FS/C在0.1C倍率下的首次充放电曲线，FS和FS/C的首次放电比容量分别为993.8和1221.2mAh/g，充电比容量分别为547.6和690.4mAh/g，首次库伦效率分别为55.1%和56.5%。图3FS和FS/C在0.1C倍率下充放电曲线图3(b)是FS和FS/C在0.1C倍率下的第5次充放电曲线，FS和FS/C的放电比容量都和各自的充电比容量非常接近，库伦效率分别达到了90.7%和97.3%。FS/C的库伦效率均高于FS，这是由于包覆于FS的无定型碳提高了电极材料的电导率，从而降低了充放电过程中的极化。首次放电时由于SEI膜的形成以及电解液的分解，存在较大的不可逆容量损失，所以两种材料的首次库伦效率较低。随着充放电的进行，SEI形成后，库伦效率明显提高。图4(a)是2种材料不同倍率下的充放电曲线，FS在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C倍率下的可逆比容量分别为547.6、328.1、228.9、177.7、127.4、71.7mAh/g；FS/C在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C倍率下的可逆比容量分别为655.6、627.6、598.5、579.7、550.6、430.9mAh/g，FS/C在不同倍率下的可逆比容量都高于FS，经高倍率循环回到0.1C测定时，FS/C的可逆容量仍高达756.4mAh/g。因此，与FS相比，FS/C具有更好的倍率充放电性能。图4(b)是两种材料在1C倍率下循环100次的充放电循环图，FS和FS/C的首次充电比容量分别为97.3mAh/g和501.8mAh/g，循环100次后的放电比容量分别为254.5mAh/g和666.6mAh/g。随着充放电循环次数的增加，两者的比容量均呈上升?
【参考文献】：
期刊论文
[1]新能源专业综合实验设计——从材料到电池[J]. 张静宇. 化工管理. 2018(34)
[2]锂离子纽扣电池的组装及性能测试实验设计[J]. 盛英卓,苏庆,张振兴. 高校实验室工作研究. 2018(03)
[3]电极材料制备及储能性能综合实验[J]. 田文,吉俊懿,蒋炜,李季. 实验技术与管理. 2018(10)
[4]大学化学本科教学中综合化学实验的设计——锂离子电池制作[J]. 李会峰,张瑜,朱天嶕,孙根班. 化学教育(中英文). 2018(12)
[5]水系钠离子二次电池材料制备实验设计[J]. 孙建之,董岩. 实验技术与管理. 2017(04)
[6]锂离子电池正极材料合成与表征教学实验设计[J]. 欧秀芹,梁金生,梁秀红,梁广川,丁燕,王丽,汤庆国. 实验室科学. 2016(05)
[7]柔性锂离子电池电极制备实验设计[J]. 王兆杰,张晓云,余丽丽,安长华,张军. 实验技术与管理. 2016(10)
[8]硅-石墨/炭负极制备工艺对其性能的影响机制研究[J]. 羡小超,向军,张勇,李立新,孙雷明,赵朔. 化工新型材料. 2015(10)
[9]锂离子电池基础科学问题（Ⅻ）——表征方法[J]. 李文俊,褚赓,彭佳悦,郑浩,李西阳,郑杰允,李泓. 储能科学与技术. 2014(06)
本文编号：3246939
【文章来源】：实验技术与管理. 2020,37(02)北大核心
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
FS、FS/C的XRD图
FS/C中没有观察到碳的衍射峰，表明纳米复合物中的Fe2SiO4晶体衍射峰较强并且包覆碳以无定型形式存在。图1FS、FS/C的XRD图由图2(a)的FS的SEM图可以看出，FS材料是由球形纳米粒子组成，经过统计分析，粒径主要分布在50~130nm。由FS/C的SEM图（图2(b)），FS/C微观形貌与FS相似，但粒径更小，分布在10~80nm，主要集中在20~40nm。FS的粒径明显大于FS/C的粒径，这是因为原位碳包覆限制了Fe2SiO4纳米粒子的生长。粒径的减小缩短了锂离子的扩散路径，有利于提高FS/C的电化学性能[4,10]。图2FS和FS/C的SEM图
66实验技术与管理材料的结构与其性能息息相关，学生通过材料表征和电化学性能分析，深刻地理解电池材料的结构与性能的关系。在此基础上，可以进一步启发学生思考：怎样优化制备工艺才有可能获得性能优良的锂离子电池负极材料？2.3电化学性能测试图3(a)是FS和FS/C在0.1C倍率下的首次充放电曲线，FS和FS/C的首次放电比容量分别为993.8和1221.2mAh/g，充电比容量分别为547.6和690.4mAh/g，首次库伦效率分别为55.1%和56.5%。图3FS和FS/C在0.1C倍率下充放电曲线图3(b)是FS和FS/C在0.1C倍率下的第5次充放电曲线，FS和FS/C的放电比容量都和各自的充电比容量非常接近，库伦效率分别达到了90.7%和97.3%。FS/C的库伦效率均高于FS，这是由于包覆于FS的无定型碳提高了电极材料的电导率，从而降低了充放电过程中的极化。首次放电时由于SEI膜的形成以及电解液的分解，存在较大的不可逆容量损失，所以两种材料的首次库伦效率较低。随着充放电的进行，SEI形成后，库伦效率明显提高。图4(a)是2种材料不同倍率下的充放电曲线，FS在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C倍率下的可逆比容量分别为547.6、328.1、228.9、177.7、127.4、71.7mAh/g；FS/C在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C倍率下的可逆比容量分别为655.6、627.6、598.5、579.7、550.6、430.9mAh/g，FS/C在不同倍率下的可逆比容量都高于FS，经高倍率循环回到0.1C测定时，FS/C的可逆容量仍高达756.4mAh/g。因此，与FS相比，FS/C具有更好的倍率充放电性能。图4(b)是两种材料在1C倍率下循环100次的充放电循环图，FS和FS/C的首次充电比容量分别为97.3mAh/g和501.8mAh/g，循环100次后的放电比容量分别为254.5mAh/g和666.6mAh/g。随着充放电循环次数的增加，两者的比容量均呈上升?
【参考文献】：
期刊论文
[1]新能源专业综合实验设计——从材料到电池[J]. 张静宇. 化工管理. 2018(34)
[2]锂离子纽扣电池的组装及性能测试实验设计[J]. 盛英卓,苏庆,张振兴. 高校实验室工作研究. 2018(03)
[3]电极材料制备及储能性能综合实验[J]. 田文,吉俊懿,蒋炜,李季. 实验技术与管理. 2018(10)
[4]大学化学本科教学中综合化学实验的设计——锂离子电池制作[J]. 李会峰,张瑜,朱天嶕,孙根班. 化学教育(中英文). 2018(12)
[5]水系钠离子二次电池材料制备实验设计[J]. 孙建之,董岩. 实验技术与管理. 2017(04)
[6]锂离子电池正极材料合成与表征教学实验设计[J]. 欧秀芹,梁金生,梁秀红,梁广川,丁燕,王丽,汤庆国. 实验室科学. 2016(05)
[7]柔性锂离子电池电极制备实验设计[J]. 王兆杰,张晓云,余丽丽,安长华,张军. 实验技术与管理. 2016(10)
[8]硅-石墨/炭负极制备工艺对其性能的影响机制研究[J]. 羡小超,向军,张勇,李立新,孙雷明,赵朔. 化工新型材料. 2015(10)
[9]锂离子电池基础科学问题（Ⅻ）——表征方法[J]. 李文俊,褚赓,彭佳悦,郑浩,李西阳,郑杰允,李泓. 储能科学与技术. 2014(06)
本文编号：3246939
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