铁基氧化物半导体作为锂离子电池负极材料的研究

发布时间：2017-12-16 15:26

  本文关键词：铁基氧化物半导体作为锂离子电池负极材料的研究

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【摘要】：金属氧化物是一类重要的半导体材料,其多为离子晶体,禁带宽度较大,电子迁移率较低。由于具备特殊的电学、磁学和热学性质,金属氧化物已被广泛应用于电子工业领域。许多金属氧化物半导体还具有优异的储锂性能,理论比容量是石墨的2~3倍,而且制备容易,无污染,成本低廉,这些优点使它们成为了下一代锂离子电池负极材料的候选之一。但是,金属氧化物的电导率低,作为锂离子电池电极时大电流性能较差,而且,随着锂离子的嵌入和脱出会发生剧烈的体积变化,严重影响了电池的充放电循环寿命。本论文以铁基氧化物(包括Fe_3O_4和Fe_2O_3)为主要研究对象,以提高铁基氧化物锂离子电池电极的功率密度和循环寿命为目标,设计并制备了具有纳米结构的氧化铁材料,并与碳材料复合,有效减小了锂离子在电极材料中的迁移距离,改善了电极的导电性,缓和了由于体积变化所形成的应力,保持了电极的完整性。同时,尝试了新的电极制备工艺,探讨了其对电池性能的影响。主要研究内容与结果如下:(1)碳包裹Fe_3O_4晶粒复合薄膜电极的制备及其储锂性能利用水热法结合碳化处理,在泡沫镍上生长了碳包裹Fe_3O_4晶粒的复合薄膜,将其直接作为锂离子电池阳极,表现出优异的大电流循环稳定性。当测试电流密度高达10 A g-1时,电池在经过2000多次循环之后仍有543 mA h g-1的可逆放电容量。优异的电化学性能来源于电极中活性物质与集流体有良好的接触,特别是碳包裹层形成了三维的互联网状结构,不仅有利于电子的传输,而且能够缓解Fe_3O_4在充放电过程中的体积变化所形成的应力。(2)沙琪玛状Fe_2O_3微米粉体的制备及其储锂性能用两步水热法结合退火处理制备了具有沙琪玛状结构的Fe_2O_3微米粉体。由于材料具有的特殊网状多孔结构,作为锂离子电池负极材料有足够的空间来适应充放电过程中锂离子嵌入和脱出所引起的体积变化,相应的用传统涂布法制备的电极表现出优异的大电流循环稳定性。当电流密度为5 A g-1时,在循环1000次之后,电池的可逆放电容量为513 mA h g-1。(3)奶酪状Fe_2O_3@碳微米管复合材料的制备及其储锂性能对脱脂棉进行高温碳化处理,制备出石墨化程度较高、导电性能良好的碳微米管,并采用水热法在碳微米管上生长了奶酪状Fe_2O_3。作为锂离子电池负极材料,奶酪状Fe_2O_3@碳微米管复合材料表现出优异的充放电循环稳定性和较高的可逆放电容量。在1 A g-1的电流密度下,充放电循环600次之后,电池的容量为562 mA h g-1。(4)滴涂法制备Fe_2O_3/石墨烯复合电极及其储锂性能利用模板法制备了类C3N4结构的Fe_2O_3纳米片。与氧化石墨烯混合后,通过简单的滴涂法在铜箔上制备出具有多孔结构的Fe_2O_3/石墨烯复合电极。氧化石墨烯的热还原处理工艺使电极材料牢固地粘附在铜箔上,所形成的多孔结构有利于电解液充分浸入,并提供了足够的空间来适应充放电过程中Fe_2O_3的体积变化。测试结果表明,电极具有优异的循环稳定性,在5 A g-1的电流密度下,经过2500次循环后,电池的可逆放电容量为478 mA h g-1。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;TN304.21

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本文编号：1296556