锌掺杂铁基氧化物的电化学性能研究

发布时间：2017-12-19 03:24

  本文关键词：锌掺杂铁基氧化物的电化学性能研究

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【摘要】：在过去的几十年中,随着化石燃料的使用增加以及大众对周围生活环境质量的日益关注,人们对于能够满足社会飞速增长要求且环境友好的能源储存及转化装置的需求越来越高。在这其中,锂离子电池作为诸多储能装置中一个不断被重视的领域,现阶段已备受各方研究者关注。如今,作为已被普遍应用为锂离子电池负极材料的石墨,因其在长期的应用中暴露出的各种缺点已经不能适应日益增长的要求,而在过渡金属氧化物与锂离子的转化反应被报道后,这个群体因其高的理论容量等一系列优势已经成为研究的热点。然而,在前期的研究中发现,过渡金属氧化物在经过锂离子的不断嵌入与脱出过程之后,很难保持结构的稳定以至于可逆容量不高从而限制了它们的进一步应用。因此,解决上述问题的方向之一就是通过改善过渡金属氧化物的结构来获得电化学性能成了。研究者们探究了很多策略去改善电极材料的循环及倍率性能,人们发现纳米结构的电极材料能够很好的缓解结构压力并且保持材料在锂频繁的嵌入脱出过程中的结构完整性。同时,纳米结构的材料还能为材料与电解液之间提供更大的接触面积从而增加其电化学性能。另一个途径就是异质元素的掺杂,通过改善材料的导电性能来获得更优的锂电性能。因此,为了提升其锂电的循环稳定性,设计异质元素掺杂的纳米结构电极材料成为了一个趋势。本文的主要研究工作及结果如下：(1)通过一个简单的实验室途径合成三氧化二铁纳米棒,随后以吡咯为碳源成功合成了碳包覆锌掺杂四氧化三铁纳米棒(其中四氧化三铁是由三氧化二铁还原而来),并完成了一系列的电化学性能表征。结果显示,碳包覆锌掺杂四氧化三铁纳米棒在100 mAg-1电流密度下循环60次后仍然展示出了高达949.1mAh g-1的可逆容量,展现出了优异的电化学性能。而在相同条件下的三氧化二铁以及碳包覆四氧化三铁纳米棒电极仅仅展示出了315.4和235.5 mAh g-1的可逆容量。(2)采用水热法及后续的一个煅烧过程,成功合成了锌掺杂铁酸钡纳米片及作为对比样的纯铁酸钡纳米片,并对产物进行了表征。其中锌掺杂铁酸钡纳米片是第一次作为锂离子电池负极材料进行测试,结果表明,在100 mAg-1电流密度下进行250次循环后锌掺杂铁酸钡电极的可逆容量达到了665.5 mAh g-1,在同样条件下,纯铁酸钡的可逆容量仅仅为441.5 mAh g-1。在锌掺杂铁酸钡样品中观察到的这种相对于纯铁酸钡样品的优良的电化学性能被认为是锌离子掺杂所带来的,而这个结果也是经过阻抗测试所证明的。(3)通过调节铁锶元素比通过水热法成功合成厚度为40-60 nm的六方铁酸锶纳米片,在此基础上又成功合成了锌掺杂铁酸锶样品。所得铁酸锶纳米片经过了各项物性表征,并且第一次作为锂离子电池负极材料进行了测试。结果表明,在100 mAg-1电流密度下270次循环后,锌掺杂铁酸锶以及铁酸锶纳米片分别展示出了1015.8 mAh g-1和456.5 mAh g-1的可逆容量,与此同时在500 mAg-1高电流密度下的长程循环显示在700次循环后锌掺杂铁酸锶纳米片电极仍具备457.6 mAh g-1的可逆容量。因此,上述结果表明铁酸锶电极材料已经在长程循环锂电研究中成为了一个选项,同时锌掺杂后,对电化学性能的提升也证明了锌掺杂对提升该电极材料的导电性能以及锂离子扩散性能起到了作用。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646

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本文编号：1306724