纳米Fe3O4基锂离子电池负极材料的改进设计及性能研究

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作为锂离子电池(LIBs)负极材料,纳米Fe3O4具有理论容量高,自然资源丰富,价格便宜的优势,同时具有充放电过程中体积易于膨胀导致结构崩坍的劣势,限制了其工业应用。为了使四氧化三铁活性材料成为下一代锂离子电池负极的理想材料。针对上述问题,本文开展了以下研究。(1)研究缓解纳米Fe3O4膨胀的碳源影响规律,为了获得N掺杂的碳以及提高碳材的导电性,以苯胺为合成原料,通过在苯胺氧化聚合体系中添加苯胺单体3wt%的CNT,结果成功地将聚苯胺形貌调节成纳米纤维(SF-PANI/CNT),进一步热解得到纳米纤维形貌的碳化材料(SF-N-C/CNT)。相比其它方法制备的碳材料,SF-N-C/CNT不仅具有N掺杂结构碳,而且其中含有均匀分散的CNT。以SF-N-C/CNT作为锂离子负极,可逆比电容360 mAh g-1,首效47.59%,倍率性能优异,500次循环后容量保持率高达95%。众所周知,N掺杂不仅提高了材料的导电性,而且引入了缺陷,作为锂离子的有效存储位点,因为N是电负性的,而Li+是电正性的。此外,缺陷有利于锂离子扩散到电极材料的内部空间。(2)以CNT与纳米Fe3O4形成纳米复合材料来提高纳米Fe3O4的导电性,以沥青作为碳源包覆于CNT/Fe3O4复合材料表面,进一步缓解纳米Fe3O4的膨胀。结果表明,添加了少量(0.31%)CNT的CNT/Fe3O4@C复合电极相比C/Fe3O4电极具有更优异循环性能及高倍率下的高比容量。CNT不仅有效改善了纳米Fe3O4的导电性,而且作为力学支撑有效抑制纳米Fe3O4的膨胀。高含量(5.8%)CNT的CNT/Fe3O4@C复合电极的循环及其倍率特性虽然有所提高,然而,比容量相比C/Fe3O4电极没有显著的改善,这是因为聚集的CNT不能有效地缓解纳米Fe3O4的膨胀。少量(0.31%)CNT的CNT/Fe3O4@C获得非常优异的循环稳定性(在100 mA g-1电流密度下经过300次循环后放电比容量约为551 mAh g-1)以及倍率性能(在1 A g-1时放电比容量为225 mAh g-1)。(3)根据前两章的研究结果,本章在纳米Fe3O4表面进行苯胺的氧化聚合,形成核壳型nmFe3O4@PANI,进一步热解为核壳型nmFe3O4@C纳米复合材料。并以微米Fe3O4作为对比揭示,在纳米Fe3O4表面构建N掺杂C层由于有效地改善了纳米Fe3O4的导电性以及抑制纳米Fe3O4的体积膨胀,而获得非常优异的循环稳定性(在100 mA g-1电流密度下经过500次循环后放电比容量约为340 mAh g-1)以及倍率性能(在4 Ag-1时放电比容量为160 mAh g-1)。
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