微納米復合鐵酸鎂負極材料的合成及儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池因其高能量密度，長壽命，環(huán)境友好，無記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點成為近些年來的研究熱點，并廣泛應(yīng)用于手機，計算機等便攜式電子設(shè)備。但其在電動汽車等方面的推廣應(yīng)用仍受到能量密度、成本和安全性的制約，采用廉價、安全、高能量密度的電極材料，可以有效促進以鋰離子電池為動力電源的電動汽車的推廣及普及。
　　石墨作為商業(yè)化的鋰離子電池負極材料，理論比容量僅為372 mAh g-1，且循環(huán)過程中易形成鋰枝晶，安全性較差，已無法滿足鋰離子電池的進

2、一步發(fā)展需求。具有高比容量的過渡金屬氧化物逐漸進入研究者的視線，成為最有潛力的下一代鋰離子電池負極材料之一。但過渡金屬氧化物本征導電性差，體積膨脹嚴重，導致其作為鋰離子負極材料循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能較差，阻礙了其進一步發(fā)展。一般通過顆粒納米化，復合化或合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計改善其導電性，緩解充放電過程中的體積變化。
　　MgFe2O4主要用于磁性材料，氣敏材料和催化劑等。最近幾年，研究者開始研究其作為鋰離子電池負極材料的可能性。MgFe2O

3、4由電化學活性的Fe2O3和電化學惰性的MgO復合而成，在充放電過程中，F(xiàn)e2O3發(fā)生氧化還原反應(yīng)，提供儲鋰容量，MgO不參與轉(zhuǎn)化反應(yīng)，充當骨架結(jié)構(gòu)，一定程度上緩解體積膨脹。本論文主要以MgFe2O4為研究對象，通過調(diào)控材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及一體化電極結(jié)構(gòu)構(gòu)造，提高其導電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善其電性能。具體如下:
　　1.澆鑄法合成Fe2O3/MgFe2O4復合材料
　　以聚丙烯酰胺高分子凝膠網(wǎng)絡(luò)為模板，加入適量硝酸鎂和和硝

4、酸鐵，通過燒結(jié)制備出結(jié)晶性良好的珊瑚狀的Fe2O3/MgFe2O4復合材料。在1 A g-1電流密度下循環(huán)500周，其容量仍維持在1800mAh g-1，甚至在20A g-1的超高電流密度下，其容量仍有761 mAhg-1。其優(yōu)異的電性能可以從以下方面解釋:復合后晶胞體積變大，更有利于鋰離子的進嵌入和脫出;復合后Fe-O鍵向結(jié)合能高的方向移動，說明Fe-O鍵電子云密度降低，F(xiàn)e-O鍵更易斷裂，更容易發(fā)生氧化還原反應(yīng)。同時，對Fe2O3/

5、MgFe2O4復合物在循環(huán)過程中出現(xiàn)的超容現(xiàn)象進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)界面儲鋰與聚合物膠狀膜對其額外容量均有貢獻。
　　2.溶劑熱法合成石墨烯包覆鐵酸鎂材料
　　用溶劑熱的方法，一步合成囊泡狀鐵酸鎂與石墨烯復合的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料。囊泡狀的鐵酸鎂粒子隨機分布在相互連接的柔性石墨烯片層間，形成了三維導電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該復合物表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能，在1 Ag-1電流密度下循環(huán)200周，其容量仍穩(wěn)定在1300mAh g-1，甚至在

6、10Ag-1的高電流密度下循環(huán)，其容量仍能達到597 mAhg-1。其良好的電性能可以歸因于獨特的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，既可以提供良好的導電網(wǎng)絡(luò)，又能夠緩沖充放電過程中的體積膨脹，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)。
　　3.無粘結(jié)劑一體化電極的制備及性能研究
　　通過簡單的水熱加后續(xù)煅燒的方法合成了無粘結(jié)劑一體化電極，100 nm左右的MgFe2O4納米粒子相互連接形成多孔納米片直接生長在導電性良好的泡沫鎳集流體上，作為一體化電極進行電性能測試。該一體