納米Fe3O4-石墨烯電極材料制備及電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子二次電池具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)穩(wěn)定性好、安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展很快和最受重視的高能蓄電池之一。目前鋰離子電池商用碳負(fù)極材料由于比容量低已不能滿足鋰離子電池在高功率器件中的應(yīng)用需要，因此開發(fā)新型的高比能量的鋰離子電池負(fù)極材料已成為電池研究領(lǐng)域的重要課題之一。Fe3O4具有理論比容量高、資源豐富、價(jià)格低廉、環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常具有應(yīng)用前景的鋰離子電池負(fù)極材料。但是，它存在循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能差的缺點(diǎn)。本論文在探索制各F

2、e3O4和石墨烯的工藝條件基礎(chǔ)上，原位合成了Fe3O4納米棒/GNS復(fù)合材料，用水熱法一步合成了Fe3O4/碳/還原的氧化石墨烯(簡(jiǎn)稱Fe3O4/C/rGO)復(fù)合材料并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行研究。
　　 以亞鐵鹽為鐵源，水合肼為氧化劑，在pH＞10的條件下，反應(yīng)12h，可以形成單一物相的Fe3O4磁性納米粒子。亞鐵鹽原料不同，反應(yīng)速率不同。納米Fe3O4在0.1C倍率下，放、充電比容量分別為1060和752mAh/g，首次庫侖效率為

3、71％，但是其循環(huán)性能和倍率性能差。
　　 石墨經(jīng)濃硫酸插層反應(yīng)1h，高錳酸鉀氧化反應(yīng)2.5h，高溫反應(yīng)0.25h后基本氧化完全，其中含有較多的羧基、羥基和環(huán)氧基。水合肼可以將氧化石墨烯中羧基、羥基及部分環(huán)氧基團(tuán)還原，并在石墨烯中形成較小的共軛區(qū)域。pH值、反應(yīng)時(shí)間、熱處理溫度等對(duì)氧化石墨烯的還原程度有一定影響。制備的石墨烯片無序排列，任意卷曲，片層與片層之間相互堆積。GNS中具有3-4nm的介孔結(jié)構(gòu)，其比表面積為373.42m

4、2/g，總孔體積為0.47mL/g。
　　 以硫酸亞鐵銨和氧化石墨為反應(yīng)原料，在pH大于11的水熱條件下成功合成了Fe3O4納米棒/石墨烯復(fù)合材料(FNGC)。FNGC中具有共軛結(jié)構(gòu)，但有部分未還原的環(huán)氧基團(tuán)。卷曲的石墨烯片層上覆蓋著大量的Fe3O4棒狀結(jié)構(gòu)，分布均勻，棒之間基本無團(tuán)聚現(xiàn)象。Fe3O4納米棒直徑11nm左右，長度大于100nm。Fe3O4為反尖晶石磁鐵礦晶相。石墨烯片層距離大約為0.41nm。N2吸附脫附曲線表明

5、，F(xiàn)NGC的比表面積為180m2/g，總孔體積0.26mL/g，具有介孔結(jié)構(gòu)。通過對(duì)FNGC制備工藝條件如pH值、攪拌速度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物形貌的影響，分析了FNGC的形成機(jī)理。FNGC負(fù)極首次放、充電比容量分別為:1538mAh/g和925mAh/g，庫侖效率60.2％。在1C放、充電循環(huán)80次后，放、充電比容量保持率分別為80.5％和90％。在5C倍率下循環(huán)，依然具有66.78％和63.80％的放、充電比容量維持率。其電化學(xué)

6、性能相對(duì)Fe3O4納米顆粒/石墨烯復(fù)合材料，得到了有效地改善。通過四氧化三鐵的形貌，GNS的含量、熱處理溫度對(duì)FNGC電化學(xué)性能的影響研究發(fā)現(xiàn)Fe3O4在石墨烯表面上的分布狀況對(duì)復(fù)合物的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。納米Fe3O4均勻地覆蓋在石墨烯表面的復(fù)合結(jié)構(gòu)是得到優(yōu)良電化學(xué)性能的有力保障。
　　 以FeCl3、葡萄糖、氧化石墨為原料，在15MPa，400℃下反應(yīng)12h，一步合成了Fe3O4/C/rGO復(fù)合材料(FCRG)