过渡金属氧化物铁基负极材料的合成及改性研究

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近年来,铁基过渡金属氧化物作为很有前景的锂离子电池负极材料,以其低成本,无毒,自然丰度,相对较高的理论容量(?1000 mA h g-1)和易于大规模制造而备受关注,然而,铁基过渡金属氧化物充放电过程中的体积膨胀导致循环稳定性差和导电性不好导致倍率性能差。本论文通过巧妙的设计合成了核壳Fe2O3@TiO2、多孔结构Fe2O3/N-GO复合材料和核壳NiFe2O4@SiO2,以三种不同的改性方式来进一步提升铁基过渡金属氧化物的电化学性能。研究内容主要概括如下:(1)通过共沉淀法合成的纳米颗粒Fe2O3,并利用酞酸丁酯的水解合成Fe2O3@TiO2核壳纳米复合材料。当用作锂离子电池负极材料进行充放电测试,0.1 C的电流密度下,经过100次循环后样品1、2、3、4可逆比容量分别保持为292.6、497.3、427.5和352.3mAh g-1。不同TiO2包覆量的Fe2O3@TiO2核壳结构均体现出更好的循环稳定性和更好的倍率性能,电化学性能的提升归结于Fe2O3核与包覆层TiO2两种活性材料之间的协同作用和TiO2能有效地缓解内核Fe2O3的体积膨胀。(2)采用简单的一步水热法制备了结晶性很好的多孔Fe2O3/N-GO复合材料。用作锂离子电池负极材料展现了优异的储锂性能,0.1 C电流密度下,经过100次循环后Fe2O3/N-GO复合电极比容量可以稳定在1080 mAh g-1,而纯Fe2O3可逆比容量呈下降趋势降低到805 mAh g-1。甚至在1 C的大电流密度下250次循环后,Fe2O3/N-GO复合电极比容量可以仍然可以保持为905.2 mAh g-1。优异的电化学性能主要归结于Fe2O3多孔结构的存在,表面层的N-GO提升了导电性的同时还缓解了Fe2O3充放电过程中的体积效应。(3)通过溶胶-凝胶自蔓延燃烧法制备了尖晶石型的正八面体NiFe2O4,并利用正硅酸乙酯(TEOS)的水解包覆形成核壳结构的NiFe2O4@SiO2,当用作锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能,在0.1 C的电流密度下,NiFe2O4@SiO2电极经过100次循环后的比容量为1224.6 mAh g-1,它明显高于纯NiFe2O4的可逆比容量690.7 mAh g-1。循环稳定性、倍率性能和比容量的提升归结于SiO2作为涂层材料提供高额外容量的同时,SiO2在充放电过程中还形成惰性Li4SiO4层可以有效地避免高电化学活性的NiFe2O4与电解质直接接触和缓解NiFe2O4的体积膨胀。
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