铁基氧化物及其与石墨烯复合材料的制备和电化学性能研究

发布时间：2017-10-08 04:13

  本文关键词：铁基氧化物及其与石墨烯复合材料的制备和电化学性能研究

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【摘要】：锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长以及对环境友好等优点,广泛应用于便携式设备和电动/混合动力汽车。过渡金属氧化物中的铁基氧化物(Fe_2O_3、Fe_3O_4)由于具有理论容量高、无毒、价格低廉、安全性好等优点,是一种比较有前途的锂离子负极材料,并引起研究者的广泛关注。然而铁基氧化物作为锂离子电池负极材料存在一些问题,在充放电过程中会产生严重的体积形变导致循环性能差,以及自身导电率低,首次不可逆容量损失的多。目前主要有以下两种策略对其电化学性能进行改善:一是纳米结构化,另外一种方法是制备铁基氧化物与碳复合材料来保持结构的稳定性,提高铁基氧化物的导电性。基于以上的关键科学问题,本论文采用水热法合成Fe_2O_3纳米盘,通过在空气中煅烧合成多孔Fe_2O_3纳米盘,在氢氩混合气(H_2含量为5%)中煅烧制备多孔Fe_3O_4纳米盘。利用水热法原位合成石墨烯与铁基氧化物的复合材料,并研究了复合材料的电化学性能。主要研究内容如下:(1)以硝酸铁为铁源,尿素为沉淀剂,丙三醇和水为溶剂,通过水热法合成暴露(001)晶面的Fe_2O_3纳米盘。研究结果表明:温度、尿素的量以及水量会影响材料的结构和形貌。尿素起均相沉淀剂的作用,丙三醇在纳米盘形成过程中起主要作用,吸附在(001)晶面上,抑制了(001)晶面的生长。Fe_2O_3纳米盘的形成机理为:沉淀-溶解-定向生长,也就是小颗粒溶解,再结晶,然后沿着垂直[001]方向生长形成暴露(001)晶面的纳米盘。Fe_2O_3前躯体在空气氛下煅烧之后形成多孔Fe_2O_3纳米盘,由于暴露的(001)面能够接受更多的锂离子和小尺寸效应,促进了电子和离子的传输。纳米盘结构中的纳米孔在充放电过程中缓解材料体积的变化,使材料更加稳定。前躯体在氢氩混合气下煅烧得到Fe_3O_4纳米盘,进一步提高其电子电导率,电化学性能得到很大提高。(2)在上述制备Fe_2O_3纳米盘的基础上,通过水热法原位合成Fe_2O_3纳米片和RGO的复合物。结果表明:石墨烯的引入并没有改变Fe_2O_3的形貌和结构,Fe_2O_3纳米片均匀地分散到石墨烯上。由于石墨烯具有优异的导电性,极大地提高了复合材料的电化学性能。通过对石墨烯加入量的优化,当RGO含量为22.3%时,该复合材料表现出优异倍率性能和循环稳定性。在5A/g的电流密度下有560mAh/g的放电比容量;在500mA/g的电流密度下充放电50次后仍保留850mAh/g的放电比容量。(3)利用H_2O_2在Fe~(3+)和有机酸性条件下通过改变尿素和H_2O_2的量合成了Fe_3O_4纳米颗粒与石墨烯的复合材料。研究发现,随着H_2O_2量的增加,颗粒的尺寸先减小后增大;Fe~(3+)催化H_2O_2产生羟基自由基切割石墨烯,使石墨烯尺寸变小,同时石墨烯表面增加一些孔洞,增大了复合材料与电解液的接触面积,加快了离子和电子的运输,电化学性能得到显著提高。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 过渡金属氧化物 铁基氧化物 石墨烯
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-32
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池简介12-14
• 1.2.1 锂离子电池工作原理及其基本构造13-14
• 1.2.2 锂离子电池电极材料14
• 1.3 锂离子电池负极材料研究进展14-16
• 1.4 铁基氧化物负极材料的研究进展16-19
• 1.4.1 铁基氧化物的储锂机制16-17
• 1.4.2 铁基氧化物的制备方法17-19
• 1.5 铁基氧化物负极材料存在的问题及其改性研究19-25
• 1.5.1 铁基氧化物纳米化及形貌控制19-23
• 1.5.2 铁基氧化物与碳复合23-25
• 1.6 选题依据及研究内容25-27
• 参考文献27-32
• 2 铁基氧化物纳米盘的可控合成及其电化学性能研究32-53
• 2.1 引言32-33
• 2.2 实验试剂与实验仪器33-34
• 2.3 材料的表征手段34-35
• 2.4 样品的合成35
• 2.4.1 Fe_2O_3纳米盘的合成35
• 2.4.2 多孔Fe_2O_3纳米盘的制备35
• 2.4.3 多孔Fe_3O_4纳米盘的制备35
• 2.5 电极片制备和电化学测试35-36
• 2.6 影响Fe_2O_3纳米盘形貌和尺寸因素36-40
• 2.6.1 温度对形貌的影响36-38
• 2.6.2 尿素含量对形貌的影响38-40
• 2.6.3 水量对Fe_2O_3纳米盘尺寸的影响40
• 2.7 Fe_2O_3纳米盘的形成机理40-43
• 2.7.1 尿素对氧化铁纳米盘形貌的影响40-41
• 2.7.2 丙三醇对氧化铁纳米盘形貌的影响41-42
• 2.7.3 氧化铁纳米盘的生长过程42-43
• 2.8 多孔Fe_2O_3纳米盘的表征和电化学性能研究43-46
• 2.9 多孔Fe_3O_4纳米盘的表征和电化学性能研究46-49
• 2.10 本章小结49-51
• 参考文献51-53
• 3 Fe_2O_3纳米片与RGO复合物的制备及其电化学性能研究53-65
• 3.1 引言53-54
• 3.2 实验部分54-56
• 3.2.1 实验试剂和仪器54-55
• 3.2.2 样品的制备55-56
• 3.2.3 电极的制备及电化学性能测试56
• 3.3 结果与讨论56-59
• 3.3.1 材料晶型结构分析56-57
• 3.3.2 材料形貌分析57-58
• 3.3.3 材料的热分析图58
• 3.3.4 材料的Raman光谱分析58-59
• 3.4 材料的电化学性能测试59-62
• 3.4.1 循环伏安测试59-60
• 3.4.2 倍率性能和循环性能测试60-61
• 3.4.3 交流阻抗测试61-62
• 3.5 本章小结62-63
• 参考文献63-65
• 4 利用H_2O_2制备Fe_3O_4与石墨烯的复合物及电化学性能研究65-77
• 4.1 前言65
• 4.2 H_2O_2对形貌和电化学性能的影响65-68
• 4.2.1 实验部分65-66
• 4.2.2 结果与讨论66-68
• 4.3 H_2O_2的量对形貌和电化学性能的影响68-74
• 4.3.1 实验部分68-69
• 4.3.2 结果与讨论69-74
• 4.4 本章小结74-76
• 参考文献76-77
• 5 结论77-79
• 致谢79-80

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