Fe3O4-石墨烯復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛、最有前景的高能蓄電池之一。目前，通用的碳負(fù)極材料因其較低的比容量已不能滿(mǎn)足鋰離子電池高能源密度的應(yīng)用要求，因此，研發(fā)新型的高比容量的鋰離子電池負(fù)極材料成為了當(dāng)前鋰離子電池領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Fe3O4作為一種重要的過(guò)渡金屬氧化物，具有理論比容量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已開(kāi)始應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料中。然而Fe3O4在充放電過(guò)程中存在循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差的問(wèn)題，直接影響了其在鋰離子電池中的應(yīng)用效果。石墨烯（G

2、N）作為一種新型的二維碳材料，因其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、高的理論比表面積、良好的機(jī)械性能等，開(kāi)始受到鋰離子電池研究領(lǐng)域的極大關(guān)注。本研究為制備出穩(wěn)定的Fe3O4-GN復(fù)合材料，在探索 Fe3O4顆粒制備工藝條件的基礎(chǔ)上，采用靜電吸附與原位生長(zhǎng)兩種不同的方式將 Fe3O4與 GN進(jìn)行復(fù)合，并分別對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試研究。主要研究結(jié)果如下：
　?。?）以 FeCl2·4H2O為鐵源，在水合肼的作用下通過(guò)溶劑熱法制備出物相單一的磁性 Fe

3、3O4顆粒，初步研究了合成體系的組分、溶劑、溫度對(duì)Fe3O4形貌的影響。結(jié)果顯示水合肼在形成純凈的Fe3O4產(chǎn)物起到了關(guān)鍵作用，溶劑乙二醇對(duì)控制 Fe3O4的成核與生長(zhǎng)，得到形貌規(guī)則、結(jié)晶性好的晶體起到重要作用，180℃下制備的顆粒才具有多孔的結(jié)構(gòu)，聚乙二醇1000能有效地防止顆粒的團(tuán)聚。SEM與TEM照片表明Fe3O4顆粒為分散均勻的多孔球形顆粒，粒徑約為160 nm。當(dāng)所制備的Fe3O4作為電極材料使用時(shí)，0.1 C（1 C=924

4、 mA·g-1）倍率下首次放、充電比容量分別為1342和991 mAh·g-1，但其倍率性能與循環(huán)性能并不理想。
　?。?）以石墨為原料，采用改進(jìn)的Hummers法制備出氧化石墨烯（GO），再以水合肼為還原劑、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）為表面活性劑制備了表面帶負(fù)電的GN，利用靜電吸附作用，與制備的帶正電的Fe3O4相復(fù)合，獲得了穩(wěn)定的Fe3O4-GN復(fù)合材料；XRD結(jié)果表明復(fù)合材料是由立方晶型的Fe3O4和無(wú)序排列的GN組成，F(xiàn)

5、T-IR和Raman結(jié)果表明 GO被水合肼還原，SEM照片顯示粒徑約為160 nm的Fe3O4球形顆粒均勻地分布在GN片層表面；當(dāng)所制備的Fe3O4-GN復(fù)合材料作為電極材料使用時(shí)，0.1 C倍率下首次放、充電比容量分別為1847和1189 mAh·g-1，在高倍率下放、充電比容量維持率也能保持在62.2％、59.5%，并且在1 C倍率下循環(huán)50次后其放、充電比容量為首次的67.5%、73.2%，表現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)性能。

6、　?。?）在制備Fe3O4的工藝基礎(chǔ)上，直接以 GO、FeCl2·4H2O為原料，在水合肼的作用下，通過(guò)溶劑熱法一步制備得到了Fe3O4-GN復(fù)合材料（Fe3O4的形成、GO的還原以及 Fe3O4在 GN表面的負(fù)載是同時(shí)完成）；XRD結(jié)果表明復(fù)合材料是由立方晶型的Fe3O4和無(wú)序排列的GN組成，F(xiàn)T-IR和Raman結(jié)果表明復(fù)合材料中的GO在溶劑熱過(guò)程中被水合肼所還原，SEM照片表明粒徑約為160 nm的Fe3O4球形顆粒均勻地分布在G

7、N片層表面；當(dāng)所制備的Fe3O4-GN復(fù)合材料作為電極材料使用時(shí)，0.1 C倍率下首次放、充電比容量分別為1912和1450 mAh·g-1，在高倍率下放、充電比容量維持率也能保持在41.9%、31.6%，并且在1 C倍率下循環(huán)50次后其放、充電比容量為首次的83.5%、94.7%，表現(xiàn)出較好的倍率性能和循環(huán)性能。與第三章制備的Fe3O4-GN電極相比，循環(huán)性能較好一些，但倍率性能相對(duì)遜色一些，這一方面與 Fe3O4顆粒在 GN表面的負(fù)