碳包覆LaFeO3的合成及其在碱性溶液中的电化学性能

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本文在对ABO3氧化物作为镍氢电池新型负极材料研究进展进行综述的基础上,确定以LaFeO3为研究对象,通过碳包覆以提高其电化学性能为主要目的。采用溶胶-凝胶法制备了LaFeO3氧化物,并通过碳包覆合成LaFeO3/C复合负极材料。利用FTIR、XRD、SEM和TEM等技术对材料的微观结构和形貌进行了分析,并采用恒流充放电、循环伏安、线性极化、电化学阻抗和恒电位阶跃等电化学测试技术测试其电化学性能。重点探讨了不同碳含量及不同碳源对LaFeO3负极材料的物理和电化学性能的影响。通过溶胶-凝胶法制备LaFeO3氧化物并以蔗糖为碳源,600℃合成不同碳含量的(0、3wt%、5wt%、7wt%)LaFeO3/C复合材料。碳在其中以无定形纳米网络的形式均匀分布于LaFeO3颗粒之间或包覆在其表面,并能不同程度地抑制颗粒间的团聚,掺入碳的量不会影响LaFeO3材料的晶型结构以及其单晶颗粒的晶格参数,其颗粒尺寸在3039nm之间;通过掺入碳可以大幅度提高LaFeO3负极材料的电化学性能,碳的掺入量对LaFeO3材料的影响较大。当碳含量为5wt%时其首次放电容量最高可达390mAh/g;随碳含量增加,LaFeO3/C电极的交换电流密度I0值越大,但碳包覆对LaFeO3/C电极的离子扩散系数影响不明显。研究表明,均匀分布的纳米碳网络提高了LaFeO3的导电性,抑制了LaFeO3颗粒间的团聚,进而改善了其电化学性能。在研究最佳碳含量的基础上,分别以(蔗糖、淀粉、酒石酸、柠檬酸、PEG20000)为碳源合成了理论碳含量为5wt%的LaFeO3/C复合材料,系统的探讨了不同碳源对其电化学性能的影响。结果表明,不同碳源制备的LaFeO3/C复合材料均属钙钛矿结构,碳源的加入不会影响材料的晶型结构。残留在LaFeO3/C复合材料中的碳是无定形碳,并均匀的分布在颗粒之间或包覆在其颗粒表面,能不同程度地抑制颗粒间的团聚;由TEM分析可知,以酒石酸、蔗糖和PEG20000为碳源制备的样品颗粒表面的包覆层较疏松,而淀粉和柠檬酸为碳源制备的样品颗粒表面的包覆层较致密,这是由于在不同碳源热解过程中,随着分子量和结构的不同,碳化过程中碳源的分解温度不同,所得样品碳化产物的结构也不相同;与未包覆样品相比,碳包覆后LaFeO3/C电极的电化学性能明显提高。其中以酒石酸为碳源合成的LaFeO3/C材料首次放电容量最高可达424.2mAh/g。采用不同碳源改性后的LaFeO3/C材料其电化学性能产生差异的原因主要是,对于碳源改性后的材料,表面包覆碳层使颗粒间的电子导电性提高。对于五种碳源,以酒石酸、蔗糖和PEG20000为碳源制备的样品颗粒表面的包覆层较疏松,在电极制备过程中容易变形而构成密实的导电网络,提高了其电子导电性。而以淀粉和柠檬酸为碳源制备的样品颗粒表面的包覆层较致密,在电极制备过程中不易变形,相互支撑形成“空泡”不导电。
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