新型高容量纳米铁酸镍负极材料的制备与电化学性能研究

来源 :华南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangdeyu520
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时至今日,锂离子电池已经广泛应用于各种移动便携式电子设备,过渡金属氧化物或盐类作为锂离子电池负极材料,主要原因一方面,此类材料具有较高的理论容量(~1000 mAh g-1)另一方面是由于广泛的原材料来源,同时经济环保。综合看来,这是一种拥有巨大发展前景的负极材料。但是,就目前的研究状况而言,铁酸盐负极材料本身的导电性差,而且在充放电过程中又有较大的体积膨胀。从而直接导致了在第一次充放电过程中,材料损失的不可逆容量较大,而且随着充放电循环增加,容量衰减得越来越快,直接导致倍率性能差。因而,我们的主要目的是旨在提高该材料的首次效率与循环性能。具体措施主要是通过控制合成条件,从而设计具有不同的形貌结构的材料来改善铁酸盐的电化学性能。  (1)合成具有纳米球形结构的NiFe2O4颗粒。采用的方式是在控制其他条件不变的情况下,添加两种不同类型的分散剂,通过水热法一步合成。其中起分散作用的添加剂主要有PVP,Urea。通过SEM表征测试,发现以尿素(Urea)为分散剂合成的材料,具有更加均一分散颗粒形貌,同时呈现明显的空球形结构。相比另外一个样品而言,这种特殊结构的产生主要由于尿素在水热过程中,分解产生了大量的气泡,以此为模板而生成空球形结构。它的首次放电容量高达1210mAh g-1,充电容量为967mAh g-1,首次效率为80%。然而以PVP为分散剂的样品首次充电容量为1100mAh g-1,放电容量为790mAh g-1,首次效率为72%,充分证明这种空球形的结构可以在一定程度上缓解由于提及膨胀而导致的材料粉化。因而,具有更好的电化学性能。但是通过材料的容量衰减趋势看来,其依然具有较差的首次效率与导电性能。  (2)制备多面体结构。对于上面合成的以PVP跟Urea为分散剂的材料,进一步通过控制NiFe2O4惰性气氛煅烧过程,合成了多面体的实心结构。以Urea为分散剂合成特殊结构表现出了优异的电化学性能,在50mA g-1的电流密度下,循环50周之后,容量高达908mAh g-1。然而煅烧之后的以PVP为分散剂的样品,循环50周之后,容量只有695mAhg-1。由此可见,在氮气气氛下,600℃的煅烧过程使得电极材料的形貌发生了改变,极大地增加了材料与电解液的接触面积,而且充分缓解了在充放电过程中的体积膨胀,从而提高了该材料的循环稳定性。  (3)以石墨为载体,通过一步水热法合成纳米NiFe2O4/石墨复合材料。在同样的煅烧过程之后,纳米颗粒均一稳定地钉扎在石墨颗粒上。这种新型的复合负极材料充分的增加了材料本身的导电性,有利于在充放电过程中电子的传输,而且在大电流充放电时,锂离子依然能够较快的嵌入脱出。此纳米铁酸镍/石墨负极材料表现出了优异的电化学性能。此负极材料充分结合了铁酸镍的高比容量与石墨的优异循环性能。其首次放电容量为1475mAh g-1,首次充电容量为1116mAh g-1,首次效率高达76%。在50mA g-1的电流密度下充放电循环50周之后,容量依然保持1109mAh g-1,相比首次容量而言,可逆容量的保持率为75%。
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