金屬氧化物-碳鈉離子電池復(fù)合負(fù)極材料的制備與電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著化石燃料儲(chǔ)量耗竭與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，發(fā)展綠色能源體系變得尤為重要。在諸多體系中，鋰離子電池因能量密度高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)的方方面面。但是，鋰資源的短缺性與分布不均勻性限制了鋰離子電池在規(guī)?；瘍?chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。鈉離子電池與鋰離子電池性質(zhì)相似，同時(shí)鈉資源儲(chǔ)量豐富、成本低廉，因此其在規(guī)?；瘍?chǔ)能領(lǐng)域擁有更大優(yōu)勢。同鋰離子電池一樣，優(yōu)良的負(fù)極材料對(duì)鈉離子電池性能影響重大。在過渡金屬氧化物類負(fù)極材料中，氧化鐵理論容量高、價(jià)格低廉且

2、環(huán)境友好，具有巨大發(fā)展?jié)摿?。然而，氧化鐵的劇烈體積變化與較差的導(dǎo)電性制約著氧化鐵材料的發(fā)展，阻礙著其在鈉離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域的應(yīng)用?；诖吮尘?，本文合成了氧化鐵與石墨烯的新型復(fù)合負(fù)極材料。
　　(1)實(shí)驗(yàn)通過改良的Hummers法合成氧化石墨烯，之后采用水熱法一步制備了Fe2O3/RGO復(fù)合材料，研究其儲(chǔ)鈉性能。經(jīng)過表征與研究，發(fā)現(xiàn)Fe2O3/RGO復(fù)合材料中Fe2O3顆粒呈現(xiàn)空心橢球狀結(jié)構(gòu)，均勻負(fù)載在石墨烯片層上。Fe2O3/R

3、GO復(fù)合材料的儲(chǔ)鈉性能相比純Fe2O3得到較大提升。其中FRG-3在電流密度50mA·g-1下循環(huán)50次后容量保留仍有224.8mA h·g-1，庫倫效率高達(dá)約98％，倍率性能也較為優(yōu)異。
　　(2)在合成了Fe2O3/RGO復(fù)合材料之后，實(shí)驗(yàn)將氮元素引入石墨烯中，通過水熱法一步制備Fe2O3/N-GNS復(fù)合材料。研究表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)狀，氧化鐵顆粒包覆均勻。在氮摻雜作用下，石墨烯中三種不同類型氮原子既增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電

4、性，又改善了材料的儲(chǔ)鈉容量。在電流密度50mA·g-1下循環(huán)50次后，F(xiàn)e2O3/N-GNS復(fù)合材料容量仍保持有306mAh·g-1。此外，F(xiàn)e2O3/N-GNS也有著良好的倍率性能，在500mA·g-1與1000mA·g-1大電流密度下容量分別保持有178mAh·g-1以及132mAh·g-1，展現(xiàn)了優(yōu)良的儲(chǔ)鈉性能。
　　(3)實(shí)驗(yàn)首先將前章合成的氧化石墨烯通過熱膨脹法制備成石墨烯，然后在其基礎(chǔ)上采用溶劑熱法一步合成Fe2O3/

5、GNS復(fù)合材料，研究其儲(chǔ)鈉性能。結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3/GNS復(fù)合材料中Fe2O3顆粒形狀不規(guī)則。其中FGN-3擁有最高的初始充放電容量，分別為661.7mAh·g-1與386.0mAh·g-1，但容量衰減過快。FGN-1的循環(huán)穩(wěn)定性最好，在循環(huán)50次后比容量保持223.4mAh·g-1。在倍率性能上，F(xiàn)e2O3/GNS復(fù)合材料表現(xiàn)并不理想，還有待提高。
　　(4)在合成了Fe2O3/GNS復(fù)合材料之后，實(shí)驗(yàn)采用納米涂敷法制備了Fe

6、2O3@GNS復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)將Fe2O3顆粒附著在石墨烯片層上，F(xiàn)e2O3顆粒結(jié)晶度較低，接近無定形態(tài)。此種形態(tài)下的Fe2O3顆粒既體積膨脹更小，又可以增加鈉離子傳輸通道。石墨烯構(gòu)成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也可以改善電荷傳輸與離子遷移速率，緩沖體積變化。因此Fe2O3@GNS復(fù)合材料展現(xiàn)了優(yōu)異的儲(chǔ)鈉性能。結(jié)果顯示，在電流密度50mA·g-1下，循環(huán)100次后比容量仍有357mA·g-1。在倍率性能方面，F(xiàn)e2O3@GNS復(fù)合材料在500mA·g-1與