微納米復(fù)合鐵酸鎂負(fù)極材料的合成及儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池因其高能量密度，長(zhǎng)壽命，環(huán)境友好，無(wú)記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于手機(jī)，計(jì)算機(jī)等便攜式電子設(shè)備。但其在電動(dòng)汽車等方面的推廣應(yīng)用仍受到能量密度、成本和安全性的制約，采用廉價(jià)、安全、高能量密度的電極材料，可以有效促進(jìn)以鋰離子電池為動(dòng)力電源的電動(dòng)汽車的推廣及普及。
　　石墨作為商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料，理論比容量?jī)H為372 mAh g-1，且循環(huán)過(guò)程中易形成鋰枝晶，安全性較差，已無(wú)法滿足鋰離子電池的進(jìn)

2、一步發(fā)展需求。具有高比容量的過(guò)渡金屬氧化物逐漸進(jìn)入研究者的視線，成為最有潛力的下一代鋰離子電池負(fù)極材料之一。但過(guò)渡金屬氧化物本征導(dǎo)電性差，體積膨脹嚴(yán)重，導(dǎo)致其作為鋰離子負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差，阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。一般通過(guò)顆粒納米化，復(fù)合化或合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善其導(dǎo)電性，緩解充放電過(guò)程中的體積變化。
　　MgFe2O4主要用于磁性材料，氣敏材料和催化劑等。最近幾年，研究者開始研究其作為鋰離子電池負(fù)極材料的可能性。MgFe2O

3、4由電化學(xué)活性的Fe2O3和電化學(xué)惰性的MgO復(fù)合而成，在充放電過(guò)程中，F(xiàn)e2O3發(fā)生氧化還原反應(yīng)，提供儲(chǔ)鋰容量，MgO不參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)，充當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)，一定程度上緩解體積膨脹。本論文主要以MgFe2O4為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)控材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、以及一體化電極結(jié)構(gòu)構(gòu)造，提高其導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善其電性能。具體如下:
　　1.澆鑄法合成Fe2O3/MgFe2O4復(fù)合材料
　　以聚丙烯酰胺高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)為模板，加入適量硝酸鎂和和硝

4、酸鐵，通過(guò)燒結(jié)制備出結(jié)晶性良好的珊瑚狀的Fe2O3/MgFe2O4復(fù)合材料。在1 A g-1電流密度下循環(huán)500周，其容量仍維持在1800mAh g-1，甚至在20A g-1的超高電流密度下，其容量仍有761 mAhg-1。其優(yōu)異的電性能可以從以下方面解釋:復(fù)合后晶胞體積變大，更有利于鋰離子的進(jìn)嵌入和脫出;復(fù)合后Fe-O鍵向結(jié)合能高的方向移動(dòng)，說(shuō)明Fe-O鍵電子云密度降低，F(xiàn)e-O鍵更易斷裂，更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。同時(shí)，對(duì)Fe2O3/

5、MgFe2O4復(fù)合物在循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)的超容現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)界面儲(chǔ)鋰與聚合物膠狀膜對(duì)其額外容量均有貢獻(xiàn)。
　　2.溶劑熱法合成石墨烯包覆鐵酸鎂材料
　　用溶劑熱的方法，一步合成囊泡狀鐵酸鎂與石墨烯復(fù)合的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料。囊泡狀的鐵酸鎂粒子隨機(jī)分布在相互連接的柔性石墨烯片層間，形成了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，在1 Ag-1電流密度下循環(huán)200周，其容量仍穩(wěn)定在1300mAh g-1，甚至在

6、10Ag-1的高電流密度下循環(huán)，其容量仍能達(dá)到597 mAhg-1。其良好的電性能可以歸因于獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既可以提供良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，又能夠緩沖充放電過(guò)程中的體積膨脹，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。
　　3.無(wú)粘結(jié)劑一體化電極的制備及性能研究
　　通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱加后續(xù)煅燒的方法合成了無(wú)粘結(jié)劑一體化電極，100 nm左右的MgFe2O4納米粒子相互連接形成多孔納米片直接生長(zhǎng)在導(dǎo)電性良好的泡沫鎳集流體上，作為一體化電極進(jìn)行電性能測(cè)試。該一體