FexOy及其復(fù)合物鋰離子電池負極材料的生物模板法制備與性能.pdf

1、近年來，鋰離子電池除了應(yīng)用于小型的移動設(shè)備之外，其在生活中其他方面（如電動、混合動力車輛）的需求量也不斷增加，所以研究制備具有高比容量、長循環(huán)壽命、高安全性能的鋰離子電池負極材料越來越受到人們的重視。而隨著全球環(huán)境問題的出現(xiàn)，開發(fā)成本低、儲量豐富、對環(huán)境友好的鋰離子電極材料也越來越受到關(guān)注。其中，過渡金屬氧化物就因為其較高的比容量而得到廣泛的研究。而在眾多的氧化物中，鐵氧化物具有比容量高、資源豐富并且成本較低、綠色環(huán)保等優(yōu)點，是一種應(yīng)用

2、前景非常廣泛的鋰離子電池負極材料。然而，由于其在電池循環(huán)過程中體積變化大，本身導(dǎo)電性差等缺點，導(dǎo)致了鐵氧化物在商業(yè)化應(yīng)用中的局限性。
　　近期，植物的廢棄物作為一種存在廣泛，價格低廉的材料，得到眾多學(xué)者的青睞。其所具有的比表面積大，多孔性等優(yōu)點是作為鋰離子電池材料所需求的，因此植物在鋰離子電池負極材料中的應(yīng)用迅速崛起。
　　為改善鐵氧化物循環(huán)穩(wěn)定性差、首次庫倫效率低的不足，我們充分利用了自然界中植物的廢棄物，以其作為模板和（

3、或）碳源，一方面可以增加材料的導(dǎo)電性，另一方面則能夠緩解鐵氧化物在充放電過程中的體積膨脹等問題，從而達到提高材料電化學(xué)性能的目的。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、將天然植物香蒲的花穗作為生物模板和連接劑制備了二維(2D)多孔織物狀的α-Fe2O3大面積片。制備的大面積薄片是由許多納米薄片或納米粒子有序組裝而成的，該結(jié)構(gòu)中含有兩種孔結(jié)構(gòu)，一種是直徑為30nm的孔洞，另一種是相鄰小薄片之間長徑比約為4的孔道。研究發(fā)現(xiàn)，氨水預(yù)處理對產(chǎn)

4、物的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能產(chǎn)生了很大的影響。當(dāng)作為鋰離子電池(LIBs)負極材料時，所得到的多孔織物狀的α-Fe2O3在500mA g-1的電流密度下首次放電容量達到2264mAh g-1，而且在100次循環(huán)后仍有1028mAh g-1，高于α-Fe2O3的理論容量(1007mAh g-1)。這種較高的容量歸因于其很薄的大面積片狀結(jié)構(gòu)，而納米片上的孔隙以及片之間孔隙通道，則提高了鋰離子的流動性，便于電子輸運和縮短鋰離子的擴散距離，緩沖了鋰

5、離子在嵌入和脫嵌過程中產(chǎn)生的較大的體積變化。合成過程非常簡單，可以廣泛適用，為其他高性能的能源儲存材料的制備提供了一個綠色和大規(guī)模生產(chǎn)的方法。
　　2、以天然植物水蠟燭花穗作為模板和碳源，采用水熱加后續(xù)煅燒的方法合成了γ-Fe2O3/C復(fù)合物納米棒。當(dāng)作為鋰離子電池負極材料時，該復(fù)合材料在電流密度為500 mA g-1時首次放電比容量為1089mAh g-1，至循環(huán)170次時電池的比容量下降至470.5mAh g-1，但是隨著循環(huán)

6、的進行材料的比容量則又緩慢上升，當(dāng)循環(huán)到267次時材料的放電比容量又達到621.8mAh g-1。測試結(jié)果顯示電池的比容量和倍率性能都較好。該復(fù)合材料的這種特殊的性能歸功于其特殊的多孔納米棒狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在軸向和徑向上縮短離子和電子的傳輸路徑，同時外層包裹的碳源能夠很好的增加材料的導(dǎo)電性及比表面積，因此材料具備較好的電化學(xué)性能。
　　3、我們發(fā)展了一種新的策略，將用過的廢棄物花生殼作為模板和碳源，制備了一維Fe3O4/多孔碳(

7、PSC)納米復(fù)合柱?；ㄉ鷼まD(zhuǎn)化為均勻的多孔碳以及與原位形成的Fe3O4納米粒子的結(jié)合是同時完成的。研究結(jié)果表明得到的納米柱的直徑大約40μm，長徑比約為15，柱中含有整齊的孔道，孔徑主要分布在5-40nm，復(fù)合納米柱的比表面積高達244.32m2/g。Fe3O4/PSC復(fù)合物中碳的含量達到80％，將如此高碳含量的復(fù)合物作為鋰離子電池負極材料，其首次放電比容量達到2255.613mAh/g，在100mA/g的電流密度下經(jīng)過100次循環(huán)依然