碳包覆铁化合物复合纳米结构的原位热解合成及储锂性能

发布时间：2017-08-17 01:30

  本文关键词：碳包覆铁化合物复合纳米结构的原位热解合成及储锂性能

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【摘要】：锂离子电池作为一种绿色无污染的能源存储设备,受到了人们的广泛的关注和应用,极大地改善了人们的生产生活方式,促进了了社会的进步与发展。然而,随着社会的不断发展,人们对锂离子电池的性能提出了更高的的要求。提升锂离子电池性能的主要方法就是通过研发一种新型的电极材料,来实现锂电池性能的大幅度提升。过渡金属化合物由于其独特的储锂机理而有希望成为这种新型的电极材料。其中以铁为过渡金属元素组成的化合物受到了广泛的研究,但是由于其电导率低、充放电时体积变化较大,易造成电池循环稳定能差、倍率性能差,从而限制了它们的应用。通过与纳米碳材料复合形成一种碳包覆过渡金属化合物的结构可以极大地改善其缺点,从而实现工业化应用。本课题的目的是通过一种简单、方便的方法来合成出碳包覆的纳米结构,实现对FeF2和FeS的表面改性,充分利用它们的电化学性能,提升其作为锂离子电池电极材料时的性能。首先,分别通过二茂铁与氟化铵以及升华硫的原位热解反应一步制备出两种碳包覆复合纳米材料,即碳纳米管包覆FeF2纳米棒(FeF2@CNTs)结构以及"sheet on sheet"型石墨烯负载的石墨烯包覆FeS纳米片(FeS@G/G),并通过对比不同反应条件的产物结构,探讨并推测了两种复合结构的生成机理：(1)FeF2@CNTs结构的生成主要是依靠FeF2纳米棒与碳管的协同生长机制,即氟化铵中的氟离子与二茂铁中的铁反应生成FeF2纳米棒,同时,FeF2纳米棒催化碳原子在其表面生长,形成纳米管结构,形成的纳米管结构又会促进纳米棒的一维生长,最终形成FeF2@CNTs结构。(2)FeS@G/G结构的生成分为两步：首先,二茂铁与硫发生反应形成无定型炭纳米片负载FeS颗粒结构；然后,无定形炭纳米片结晶发育成石墨烯片纳米片,而附着于炭纳米片FeS颗粒熔并生长成FeS纳米片,并催化石墨烯包覆层的生长,最终形成‘'sheet-on-sheet"型石墨烯负载的石墨烯包覆FeS纳米片。通过电化学测试分别考察了两种材料作为锂电池电极材料时的储锂性能,发现两种电极材料均表现出了优异的储锂容量,较好的循环稳定性和倍率性能：(1)在50mAg-1电流密度下,FeF2@CNTs纳米棒的首次可逆容量是263mAhg-1,循环50次后,容量几乎没有衰减,表现出了优异的储锂容量和循环稳定性。在1Ahg-1时,首次可逆容量是133mAhg-1,50次循环后,容量保持在93mAhg-',表现出了良好的倍率性能。(2)在50mAg-1电流密度下,FeS@G/G纳米片的首次可逆容量可以达到934.7 mAhg-1,循环80次后容量保持在847.5mAhg-1,平均每次容量衰减率仅为0.23%。而且具有良好的倍率性能：当电流密度是1Ag-1时,首次可逆容量可以达到643.9mAhg-1,80次循环后可逆容量仍能保持在568.9mAhg-1。
【关键词】：锂离子电池 二茂铁 氟化铵 硫 碳纳米管 石墨烯 碳包覆 氟化亚铁 硫化亚铁 纳米棒 纳米片
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O646.54;TM912
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 前言16
• 1.2 锂离子电池的工作原理16-18
• 1.3 过渡金属化合物的性质和储锂机理18-20
• 1.4 铁基过渡金属化合物的储锂应用20-24
• 1.4.1 纳米铁氧化合物20-23
• 1.4.2 纳米铁氟化合物23
• 1.4.3 纳米铁硫化合物23-24
• 1.5 炭基铁化合物纳米材料24-30
• 1.5.1 炭基纳米铁氧化合物25-27
• 1.5.2 炭基纳米铁氟化合物27-29
• 1.5.3 炭基纳米铁硫化合物29-30
• 1.6 选题的目的和意义30-31
• 1.7 本课题的主要研究内容31-34
• 第二章 实验与测试方法34-42
• 2.1 研究方案34
• 2.2 主要实验原料34-36
• 2.2.1 二茂铁34-35
• 2.2.2 其它实验原料35
• 2.2.3 电池组装所用的原料35-36
• 2.3 主要实验仪器和设备36-37
• 2.3.1 材料制备设备36
• 2.3.2 材料表征设备36-37
• 2.4 实验方法37-38
• 2.4.1 碳纳米管包覆FeF_2纳米棒(FeF_2@CNTs)的制备37
• 2.4.2 石墨烯负载石墨烯包覆的FeS纳米片(FeS@G/G)的制备37-38
• 2.5 主要分析表征手段38-39
• 2.5.1 扫描电子显微镜(SEM)38
• 2.5.2 原子力显微镜(AFM)38
• 2.5.3 透射电镜(TEM)与高分辨透射电镜(HRTEM)38
• 2.5.4 X射线衍射分析(XRD)38-39
• 2.5.5 热重扫描热分析(TG)39
• 2.6 电化学测试39-42
• 2.6.1 电极制备与电池组装39
• 2.6.2 恒流充放电测试39-40
• 2.6.3 循环伏安(CV)以及交流阻抗(AC)测试40-42
• 第三章 碳纳米管包覆FeF_2纳米棒的制备及其储锂性能42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 FeF_2@CNTs纳米棒的原位热解法制备43
• 3.3 FeF_2@CNTs纳米棒的形貌和结构43-48
• 3.4 反应温度对FeF_2@CNTs纳米棒结构的影响48-52
• 3.4.1 反应温度为450℃时产物的结构48-50
• 3.4.2 反应温度为700℃时产物的结构50-52
• 3.5 FeF_2@CNTs纳米棒的形成机制52-53
• 3.6 FeF_2@CNTs纳米棒的储锂性能53-55
• 3.7 小结55-56
• 第四章 “sheet-on-sheet”型FeS@G/G纳米片的原位热解合成及其储锂性能56-82
• 4.1 引言56
• 4.2 FeS@G/G纳米片的原位热解合成56-57
• 4.3 FeS@G/G的形貌和结构57-62
• 4.4 FeS@G/G纳米片生长的关键影响因素及生成机理62-73
• 4.4.1 反应物配比对产物形貌结构的影响62-63
• 4.4.2 FeS模板对复合结构片层的生长的影响63-65
• 4.4.3 保温时间对片层结构生长的影响65-67
• 4.4.4 反应温度对产物形貌结构的影响67-72
• 4.4.5 FeS@G/G纳米片的形成机理72-73
• 4.5 FeS@G/G纳米片的储锂性能73-80
• 4.5.1 电解液对FeS电极储锂性能的影响73-74
• 4.5.2 温度对热解产物的储锂性能的影响74-76
• 4.5.3 FeS@G/G纳米片的倍率性能76-77
• 4.5.4 FeS@G/G纳米片的储锂机理77-79
• 4.5.5 FeS@G/G纳米片的交流阻抗79-80
• 4.6 小结80-82
• 第五章 结论82-84
• 参考文献84-92
• 致谢92-94
• 作者攻读学位期间发表的学术论文集及科研成果目录94-96
• 作者和导师简介96-98
• 附件98-99

【共引文献】

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本文编号：686528