Fe_xO_y及其复合物锂离子电池负极材料的生物模板法制备与性能

发布时间：2017-05-13 15:09

  本文关键词：Fe_xO_y及其复合物锂离子电池负极材料的生物模板法制备与性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,锂离子电池除了应用于小型的移动设备之外,其在生活中其他方面(如电动、混合动力车辆)的需求量也不断增加,所以研究制备具有高比容量、长循环寿命、高安全性能的锂离子电池负极材料越来越受到人们的重视。而随着全球环境问题的出现,开发成本低、储量丰富、对环境友好的锂离子电极材料也越来越受到关注。其中,过渡金属氧化物就因为其较高的比容量而得到广泛的研究。而在众多的氧化物中,铁氧化物具有比容量高、资源丰富并且成本较低、绿色环保等优点,是一种应用前景非常广泛的锂离子电池负极材料。然而,由于其在电池循环过程中体积变化大,本身导电性差等缺点,导致了铁氧化物在商业化应用中的局限性。近期,植物的废弃物作为一种存在广泛,价格低廉的材料,得到众多学者的青睐。其所具有的比表面积大,多孔性等优点是作为锂离子电池材料所需求的,因此植物在锂离子电池负极材料中的应用迅速崛起。为改善铁氧化物循环稳定性差、首次库伦效率低的不足,我们充分利用了自然界中植物的废弃物,以其作为模板和(或)碳源,一方面可以增加材料的导电性,另一方面则能够缓解铁氧化物在充放电过程中的体积膨胀等问题,从而达到提高材料电化学性能的目的。具体研究内容和结果如下：1、将天然植物香蒲的花穗作为生物模板和连接剂制备了二维(2D)多孔织物状的α-Fe2O3大面积片。制备的大面积薄片是由许多纳米薄片或纳米粒子有序组装而成的,该结构中含有两种孔结构,一种是直径为30 nm的孔洞,另一种是相邻小薄片之间长径比约为4的孔道。研究发现,氨水预处理对产物的微观结构和电化学性能产生了很大的影响。当作为锂离子电池(LIBs)负极材料时,所得到的多孔织物状的α-Fe2O3在500 mA g。的电流密度下首次放电容量达到2264mA h g-1,而且在100次循环后仍有1028 mAhg1,高于α-Fe2O3的理论容量(1007mA hg-1)。这种较高的容量归因于其很薄的大面积片状结构,而纳米片上的孔隙以及片之间孔隙通道,则提高了锂离子的流动性,便于电子输运和缩短锂离子的扩散距离,缓冲了锂离子在嵌入和脱嵌过程中产生的较大的体积变化。合成过程非常简单,可以广泛适用,为其他高性能的能源储存材料的制备提供了一个绿色和大规模生产的方法。2、以天然植物水蜡烛花穗作为模板和碳源,采用水热加后续煅烧的方法合成了γ-Fe2O3/C复合物纳米棒。当作为锂离子电池负极材料时,该复合材料在电流密度为500 mA g-1时首次放电比容量为1089 mAhg-1,至循环170次时电池的比容量下降至470.5 mA hg-1,但是随着循环的进行材料的比容量则又缓慢上升,当循环到267次时材料的放电比容量又达到621.8 g测试结果显示电池的比容量和倍率性能都较好。该复合材料的这种特殊的性能归功于其特殊的多孔纳米棒状结构,该结构能够在轴向和径向上缩短离子和电子的传输路径,同时外层包裹的碳源能够很好的增加材料的导电性及比表面积,因此材料具备较好的电化学性能。3、我们发展了一种新的策略,将用过的废弃物花生壳作为模板和碳源,制备了一维Fe304／多孔碳(PSC)纳米复合柱。花生壳转化为均匀的多孔碳以及与原位形成的Fe304纳米粒子的结合是同时完成的。研究结果表明得到的纳米柱的直径大约40μm,长径比约为15,柱中含有整齐的孔道,孔径主要分布在5-40 nin,复合纳米柱的比表面积高达244.32 m2/g。Fe3O4/PSC复合物中碳的含量达到80%,将如此高碳含量的复合物作为锂离子电池负极材料,其首次放电比容量达到2255.613 mA h/g,在100 mA/g的电流密度下经过100次循环依然有718 mA h/g,测试结果显示电池的比容量和倍率性能都较好。本实验提供了一个简单的、可以大规模的从废弃的花生壳制备Fe3O4/PSC锂离子电池负极材料的途径,该实验变废为宝,成本低,可用于制备其他碳基多功能杂化材料,具有潜在的应用价值。
【关键词】：铁氧化物 水蜡烛花穗 花生壳 锂离子电池 负极材料
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-32
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池简介11-15
• 1.2.1 锂离子电池的发展史12-13
• 1.2.2 锂离子电池的结构13-14
• 1.2.3 锂离子电池的原理14-15
• 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展15-18
• 1.3.1 碳负极材料的研究进展16-17
• 1.3.2 过渡金属氧化物负极材料17-18
• 1.4 铁氧化物负极材料18-23
• 1.4.1 铁氧化物的储锂机制19
• 1.4.2 铁氧化物的制备方法19
• 1.4.3 铁氧化物负极材料的缺点19
• 1.4.4 铁氧化物负极材料的改进方法19-23
• 1.5 植物在锂电负极材料中的研究进展23-24
• 1.6 选题背景和本论文主要研究内容24-25
• 参考文献25-32
• 第二章 二维多孔织物状α-Fe_2O_3锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究32-52
• 2.1 引言32-33
• 2.2 实验部分33-36
• 2.2.1 实验试剂33
• 2.2.2 产物的制备33-34
• 2.2.3 仪器与表征34-35
• 2.2.4 电池组装及电化学性能测试35-36
• 2.3 结果与讨论36-46
• 2.3.1 产物的物相与组成分析36-38
• 2.3.2 产物的形貌分析38-40
• 2.3.3 产物的BET结果分析40-41
• 2.3.4 产物的电化学性能分析41-45
• 2.3.5 产物的FT-IR光谱分析45-46
• 2.4 本章小结46-47
• 参考文献47-52
• 第三章 一维多孔棒状γ-Fe_2O_3/C复合物的制备及其电化学性能研究52-67
• 3.1 引言52-53
• 3.2 实验部分53-55
• 3.2.1 实验试剂53
• 3.2.2 产物制备53-54
• 3.2.3 仪器与表征54
• 3.2.4 电池组装及电化学性能测试54-55
• 3.3 结果与讨论55-60
• 3.3.1 产物的物相与组成分析55-56
• 3.3.2 产物的形貌与结构分析56-57
• 3.3.3 产物的BET与孔径分布分析57-58
• 3.3.4 产物的Raman光谱分析58-59
• 3.3.5 产物的电化学性能分析59-60
• 3.4 本章小结60-62
• 参考文献62-67
• 第四章 基于花生壳的Fe_3O_4/PSC锂离子电池负极材料的制备与性能研究67-80
• 4.1 引言67-68
• 4.2 实验部分68-69
• 4.2.1 实验试剂68
• 4.2.2 产物制备68
• 4.2.3 仪器与表征68-69
• 4.2.4 电池组装及电化学性能测试69
• 4.3 结果与讨论69-74
• 4.3.1 产物的XRD图和Raman光谱分析69-70
• 4.3.2 产物的SEM图分析70-71
• 4.3.3 产物的热重分析71-72
• 4.3.4 产物的比表面积及孔径分析72-73
• 4.3.5 产物的电化学性能分析73-74
• 4.4 本章小结74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-81
• 硕士期间发表论文81

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 侯敏;赵建伟;曹辉;刘婵;冯卫良;;负极氧化铝涂层对锂离子电池电性能的影响[J];电源技术;2015年02期

2 刘兰兰;;美国普渡大学研发出一种新型锂离子电池负极[J];电源技术;2015年02期

3 ;中国科大氮掺杂类石墨烯研究获进展[J];人工晶体学报;2014年11期

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本文编号：362870