基于有機(jī)-無(wú)機(jī)層狀化合物原位熱解制備金屬氧化物-碳復(fù)合材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近年，過(guò)渡金屬氧化物作為電池負(fù)極材料受到廣泛關(guān)注。然而，過(guò)渡金屬氧化物自身的電導(dǎo)率低和充放電過(guò)程中嚴(yán)重的體積變化，致使其循環(huán)性能和實(shí)際容量較差，進(jìn)而阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。為了提高過(guò)渡金屬氧化物的導(dǎo)電性、改善其循環(huán)穩(wěn)定性及大倍率性能，將過(guò)渡金屬氧化物和碳材料進(jìn)行納米化復(fù)合成為改善電化學(xué)性能的一種有效途徑。但是，這種復(fù)合材料還存在一些問(wèn)題，如過(guò)渡金屬氧化物納米顆粒在碳基材料上的分散不均勻和鋰離子脫嵌過(guò)程中體積變化所需的緩沖空間不足。因此，需要尋

2、找粒徑小、分布均勻、具有特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)其電化學(xué)性能的進(jìn)一步提升。本文采用有機(jī)-無(wú)機(jī)層狀化合物作為前軀體，采用原位熱解方法，制備了Co3O4/C、Fe3O4/C復(fù)合材料。結(jié)果表明，所制備的Co3O4/C、Fe3O4/C復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極均表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)通過(guò)原位熱分解有機(jī)-無(wú)機(jī)層狀化合物Co2(OH)2BDC，生成花瓣?duì)畹腃o/C納米片復(fù)合材料。顯微觀察表明，Co納米顆粒均勻的

3、鑲嵌在花瓣?duì)钐紝由希郊s為5nm。該復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極材料，具有較高的容量、良好的循環(huán)性能以及大倍率性能。在電流密度100 mAg-1下首次放電和充電容量達(dá)到了1109mAhg-1和639 mAh g-1，并在之后的循環(huán)放電容量出現(xiàn)了逐漸增加的趨勢(shì)，到第70圈時(shí)放電容量增加到了767mAhg-1。在電流密度2000 mA g-1時(shí)電極仍有347mAhg-1的可逆容量，電流密度恢復(fù)至200 mAh g-1時(shí)，電極的可逆容量可達(dá)到

4、697 mAh g-1。
　　(2)以制備的花瓣?duì)頒o/C納米片復(fù)合材料為基體，高溫氧化生成花瓣?duì)頒o3O4/C納米片復(fù)合材料。Co3O4納米顆粒均勻的鑲嵌于花瓣?duì)罴{米碳層之上，其中Co3O4納米顆粒的直徑約為5nm，與Co納米顆粒相對(duì)應(yīng);花瓣?duì)钐紝哟笮?50-200nm，厚度5-10 nm?；ò?duì)頒o3O4/C納米片復(fù)合材料的比表面積為47.64m2 g-1。作為鋰離子電池負(fù)極材料，電流密度100 mA g-1時(shí)30圈循環(huán)之后

5、容量仍保持1170 mAh g-1，且在電流密度2000 mAg-1下電極放電容量平均仍有395 mAhg-1，電流密度恢復(fù)至100 mAh g-1時(shí)，電極的可逆容量仍達(dá)到950 mAh g-1。
　　(3)通過(guò)原位熱分解有機(jī)-無(wú)機(jī)層狀化合物[N2C6H18][Fe1.5(SO4)F3]，制備了Fe3O4納米片/多孔碳復(fù)合材料。顯微觀察發(fā)現(xiàn)三維碳網(wǎng)是由類(lèi)石墨烯的二維碳納米片圍成，而具有多邊形形態(tài)的Fe3O4納米片均勻鑲嵌在石墨化的

6、碳壁上，并被一層5nm左右的碳膜所包覆。這種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成與前驅(qū)體結(jié)構(gòu)與成分密切相關(guān)，有機(jī)-無(wú)機(jī)的層狀結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)Fe3O4納米顆粒和熱解碳的二維方向成長(zhǎng)，而無(wú)機(jī)層中大量的產(chǎn)氣基團(tuán)(SO42-，F(xiàn)-)起到發(fā)泡劑的作用，在熱分解過(guò)程中促使熱解碳三維孔洞結(jié)構(gòu)的生成。由于二維Fe3O4結(jié)構(gòu)縮短了Li+的傳輸路徑，加快其脫嵌速度，同時(shí)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效緩沖Fe3O4的體積變化和大大提高電解液與活性材料的接觸面積，因此該復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的電化