鋰離子電池負極材料MFe2O4的制備及改性研究.pdf

1、鋰離子電池因為具有高的比能量、寬的工作溫度、無記憶、循環(huán)壽命較長等諸多優(yōu)點，成為二次儲能電池中最具潛力的一員。自上世紀90年代初索尼公司首次將鋰離子二次電池商業(yè)化后，它便成為便攜式電子產(chǎn)品動力的主要提供者。隨著能源危機的出現(xiàn)鋰離子電池還有望成為下一代混合及純電動汽車的動力源。但是目前商用鋰離子電池都是以理論比容量低(372 mA h g-1)、充放電過程中容易產(chǎn)生鋰枝晶、Li+擴散能力差的石墨類碳材料作為負極，難以滿足下一代高容量儲能設(shè)

2、備的需求。因此開發(fā)研究新型環(huán)境友好、資源豐富并且具有高比容量能夠取代傳統(tǒng)負極的材料是發(fā)展的必然趨向。
　　鐵基復(fù)合氧化物(MFe2O4，M=Co，Zn和Ni)因為自身具有高的理論比容量而成為可能代替石墨類負極的新興材料。與單一氧化物不同，MFe2O4中兩種具有不同嵌鋰電位的活性氧化物可以使體積膨脹分段發(fā)生，減小材料結(jié)構(gòu)的破壞、提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。然而它的導(dǎo)電性差、體積膨脹導(dǎo)致的容量衰減快、倍率性能差，這些都嚴重限制了它們的實際應(yīng)

3、用。為了改善這一現(xiàn)狀，研究者通常將金屬復(fù)合氧化物納米化或者與高電導(dǎo)率材料（碳、金屬）復(fù)合，以增強材料整體的導(dǎo)電性、緩解材料因體積的膨脹引起的極片粉化，有效提高其電性能的發(fā)揮。納米化可以增加材料的比表面積、提高電子的傳輸能力。碳材料或者金屬可以提高材料整體電導(dǎo)率、緩解體積效應(yīng)。針對這種情況，本論文采用不同方法設(shè)計合成系列MFe2O4(M=Zn、Co)/C復(fù)合負極材料（優(yōu)化極片制備工藝），同時對其合成機理及電性能進行了分析和探討。論文主要包

4、含以下內(nèi)容:
　　1.首先在緒論中簡單介紹了鋰離子電池的發(fā)展史、工作原理、構(gòu)成和主要特點。然后對各部分關(guān)鍵材料的發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀進行了闡述。著重對鋰離子電池負極材料的發(fā)展、現(xiàn)狀與發(fā)展目標進行了分析。針對MFe2O4材料的合成和改性方法進行了詳細闡述。以此，確定了本論文研究方向和內(nèi)容。
　　2.通過一步溶劑熱法可控合成不同形貌的MFe2O4(M=Zn/Co)。通過選取不同的反應(yīng)溶劑，調(diào)節(jié)表面活性劑的量，控制反應(yīng)時間調(diào)控合成不同大

5、小、形貌的微納復(fù)合鐵酸鹽材料。這些不同形貌的產(chǎn)物中，微納復(fù)合空心球形結(jié)構(gòu)的MFe2O4(M=Zn/Co)具有最優(yōu)的電性能。并且根據(jù)觀察、分析不同反應(yīng)時間下產(chǎn)物的微觀形貌，推測出了微納復(fù)合空心球形結(jié)構(gòu)的形成機理。
　　3.使用低能耗的燃燒法制備了亞微米級ZnFe2O4。隨后經(jīng)過不同溫度的處理優(yōu)化出電性能最好的ZnFe2O4材料。為了進一步提高材料的電性能，我們選擇甘氨酸作為含氮碳源對優(yōu)化出的ZnFe2O4進行處理，并通過調(diào)節(jié)添加劑(

6、Gum Arabic)和碳源的量獲得含氮碳均勻包裹的ZnFe2O4材料即ZnFe2O4@NC。同時，本章中也對比了在制備極片過程中，不同粘結(jié)劑對該材料電性能的影響。
　　4.設(shè)計了一種多級顆粒嵌入碳母體式的亞微米級ZnFe2O4/C負極材料。通過優(yōu)化篩選原位一步合成的反應(yīng)氣氛、溫度和時間最終獲得了這種結(jié)構(gòu)的材料。這種多級復(fù)合的結(jié)構(gòu)不僅可以提高材料的整體導(dǎo)電性，還可以在ZnFe2O4和碳材料之間增加鋰的存儲位點，增加材料的容量。不僅