鋰離子電池高性能鐵氧化合物及其復(fù)合材料研究.pdf

1、化學(xué)電源作為一種清潔、高效的儲(chǔ)能/供能裝置，是綜合緩解能源、資源和環(huán)境問(wèn)題的一種重要技術(shù)途徑，在新能源體系中占據(jù)重要地位。而開發(fā)具有更高能量密度和功率密度的高性能鋰離子電池是已成為當(dāng)今化學(xué)電源的研究熱點(diǎn)。基于轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的過(guò)渡金屬氧化物由于具有更高的理論容量和比功率，適宜的充放電平臺(tái)，因此受到了越來(lái)越多人的關(guān)注。
　　 Fe2O3具有較高的理論比容量（1006mAh g-1）且環(huán)保無(wú)污染，原料廉價(jià)易得，制備工藝簡(jiǎn)單，為新型高容量

2、鋰離子電池負(fù)極材料的研究熱點(diǎn)之一。本文主要采用水熱法和沉淀法制備不同形貌結(jié)構(gòu)的Fe2O3材料和Fe2O3/CNTs復(fù)合材料，以減小首圈不可逆容量損失，提高循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能，從而滿足高性能鋰離子電池負(fù)極材料的要求。主要內(nèi)容如下：
　　 1．通過(guò)改變水熱合成中的鐵鹽種類、濃度等條件合成粒度為500nm-5μm及不同形貌結(jié)構(gòu)的鐵氧化合物材料，主要討論及形貌結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)性能的影響。其中，500nm左右的立方體Fe2O3材料具有較為

3、穩(wěn)定的循環(huán)性能，0.1C充放電循環(huán)100圈后容量仍保持589.7mAh g-1，容量保持率為74.4％;5μm左右的樹葉狀Fe2O3材料首圈不可逆容量損失較少，首圈庫(kù)侖效率高達(dá)78.7%。而2μm左右的海膽狀FeOOH容量衰減急劇，循環(huán)20圈以后已低于100mAh g-1，并不適合做鋰離子電池負(fù)極材料。
　　 2．采用不同鐵鹽進(jìn)行水熱反應(yīng)制備粒度為10-100nm及不同形貌的Fe2O3材料。討論了納米材料尺度及形貌結(jié)構(gòu)對(duì)其電化學(xué)

4、性能的影響。結(jié)果表明，納米Fe2O3材料的粒徑及形貌結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)性能有明顯影響。其中納米棒狀Fe2O3材料更利于鋰離子的傳輸，具有較高的容量及較好的循環(huán)穩(wěn)定性，0.2C充放電首圈可逆容量為1397.7mAh g-1，循環(huán)100圈后容量仍可達(dá)到1690.5mAh g-1。30nm左右的納米顆粒Fe2O3材料，具有較高的反應(yīng)活性，0.2C循環(huán)中首圈可逆容量高達(dá)1567.9mAh g-1，但其在循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定性較差，容量衰減明顯。
　　

5、 3．利用檸檬酸鐵水熱可以合成具有豐富空隙結(jié)構(gòu)的納米晶氧化鐵材料，通過(guò)調(diào)控檸檬酸鐵的濃度制備粒徑約5nm左右的納米晶氧化鐵材料。因其較小的晶體顆粒，及整體材料中豐富的空隙結(jié)構(gòu)，使其不僅有較高的可逆容量及穩(wěn)定的循環(huán)性能，而且具有極為優(yōu)異的倍率性能。在0.1C倍率充放電時(shí)，其首圈可逆容量高達(dá)1129.8mAh g-1，經(jīng)過(guò)50圈循環(huán)后，容量無(wú)明顯衰減，仍可達(dá)到～1000mAh g-1。當(dāng)電流密度增大到10C時(shí)，仍能穩(wěn)定保持210mAh g

6、-1的容量。研究還發(fā)現(xiàn)納米晶Fe2O3材料經(jīng)300℃煅燒處理，可以有效減少材料的首圈不可逆容量損失。
　　 4．采用水熱法和沉淀法制備不同復(fù)合形式的Fe2O3/CNTs復(fù)合材料，其性能與復(fù)合方式相關(guān)。無(wú)論是分散型復(fù)合材料或是包覆型復(fù)合材料，均有效提高了Fe2O3材料的循環(huán)性能。此外，包覆型復(fù)合材料在較大電流下充放電的循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能均優(yōu)于分散型復(fù)合材料。特別對(duì)于包覆型納米晶Fe2O3/CNTs復(fù)合材料，其中納米晶Fe2O3的

7、負(fù)載量高達(dá)60%，在0.1A g-1的充放電電流密度下，復(fù)合材料首圈可逆容量為590.6mAh g-1，循環(huán)過(guò)程中容量保持穩(wěn)定，循環(huán)70周后，可逆容量仍能保持685.6mAhg-1，庫(kù)侖效率將近100%，在4Ag-1的電流密度下容量仍然能穩(wěn)定在360mAh g-1。
　　 5．討論了影響Fe2O3材料首圈不可逆容量損失的因素。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)納米晶Fe2O3材料煅燒、引入Li2O及極片預(yù)處理三種方法來(lái)改善其首圈不可逆容量損失。