鐵基氧化物半導體作為鋰離子電池負極材料的研究.pdf

1、金屬氧化物是一類重要的半導體材料，其多為離子晶體，禁帶寬度較大，電子遷移率較低。由于具備特殊的電學、磁學和熱學性質，金屬氧化物已被廣泛應用于電子工業(yè)領域。許多金屬氧化物半導體還具有優(yōu)異的儲鋰性能，理論比容量是石墨的2~3倍，而且制備容易，無污染，成本低廉，這些優(yōu)點使它們成為了下一代鋰離子電池負極材料的候選之一。但是，金屬氧化物的電導率低，作為鋰離子電池電極時大電流性能較差，而且，隨著鋰離子的嵌入和脫出會發(fā)生劇烈的體積變化，嚴重影響了電池

2、的充放電循環(huán)壽命。
　　本論文以鐵基氧化物（包括Fe3O4和Fe2O3）為主要研究對象，以提高鐵基氧化物鋰離子電池電極的功率密度和循環(huán)壽命為目標，設計并制備了具有納米結構的氧化鐵材料，并與碳材料復合，有效減小了鋰離子在電極材料中的遷移距離，改善了電極的導電性，緩和了由于體積變化所形成的應力，保持了電極的完整性。同時，嘗試了新的電極制備工藝，探討了其對電池性能的影響。
　　主要研究內容與結果如下：
　?。?）碳包裹Fe3

3、O4晶粒復合薄膜電極的制備及其儲鋰性能
　　利用水熱法結合碳化處理，在泡沫鎳上生長了碳包裹Fe3O4晶粒的復合薄膜，將其直接作為鋰離子電池陽極，表現出優(yōu)異的大電流循環(huán)穩(wěn)定性。當測試電流密度高達10 A g-1時，電池在經過2000多次循環(huán)之后仍有543 mA h g-1的可逆放電容量。優(yōu)異的電化學性能來源于電極中活性物質與集流體有良好的接觸，特別是碳包裹層形成了三維的互聯(lián)網狀結構，不僅有利于電子的傳輸，而且能夠緩解Fe3O4在充放

4、電過程中的體積變化所形成的應力。
　?。?）沙琪瑪狀Fe2O3微米粉體的制備及其儲鋰性能
　　用兩步水熱法結合退火處理制備了具有沙琪瑪狀結構的Fe2O3微米粉體。由于材料具有的特殊網狀多孔結構，作為鋰離子電池負極材料有足夠的空間來適應充放電過程中鋰離子嵌入和脫出所引起的體積變化，相應的用傳統(tǒng)涂布法制備的電極表現出優(yōu)異的大電流循環(huán)穩(wěn)定性。當電流密度為5 A g-1時，在循環(huán)1000次之后，電池的可逆放電容量為513 mA h

5、g-1。
　　（3）奶酪狀Fe2O3@碳微米管復合材料的制備及其儲鋰性能
　　對脫脂棉進行高溫碳化處理，制備出石墨化程度較高、導電性能良好的碳微米管，并采用水熱法在碳微米管上生長了奶酪狀Fe2O3。作為鋰離子電池負極材料，奶酪狀Fe2O3@碳微米管復合材料表現出優(yōu)異的充放電循環(huán)穩(wěn)定性和較高的可逆放電容量。在1 A g-1的電流密度下，充放電循環(huán)600次之后，電池的容量為562 mA h g-1。
　?。?）滴涂法制備F

6、e2O3/石墨烯復合電極及其儲鋰性能
　　利用模板法制備了類 C3N4結構的Fe2O3納米片。與氧化石墨烯混合后，通過簡單的滴涂法在銅箔上制備出具有多孔結構的Fe2O3/石墨烯復合電極。氧化石墨烯的熱還原處理工藝使電極材料牢固地粘附在銅箔上，所形成的多孔結構有利于電解液充分浸入，并提供了足夠的空間來適應充放電過程中Fe2O3的體積變化。測試結果表明，電極具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在5 A g-1的電流密度下，經過2500次循環(huán)后，電池