廢舊鋰離子電池為原料制備摻雜鈷鐵氧體磁致伸縮材料的研究.pdf

1、由于便攜式電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，鋰離子電池的需求量也逐漸增多，但其使用壽命卻較短，通常在1-3年，大量的廢舊鋰離子電池也由此產(chǎn)生。在廢舊鋰離子電池的正極活性物質(zhì)中鈷元素的含量有時甚至要比自然界中的礦石中的鈷的含量還要高，是以將廢舊鋰離子電池當(dāng)成原料來制備鈷鐵氧體CoFe2O4磁致伸縮材料，不單能夠減少廢電池中重金屬元素對環(huán)境危害的風(fēng)險，而且還可以將其二次利用緩解資源短缺的問題。
　　磁性體材料在外加磁場的作用下尺寸發(fā)生變化的特性叫做

2、磁致伸縮。磁致伸縮材料在應(yīng)力傳感器和致動器方面有普遍的應(yīng)用。稀土超磁致伸縮合金材料是目前使用較多的磁致伸縮材料，但其成本需求高，機械機能較差，在應(yīng)用方面存在較大短處。鈷鐵氧體作為磁致伸縮材料是一個好的選擇，由于其比稀土超磁致伸縮合金材料具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、優(yōu)良的磁性能及磁致伸縮性能、低成本、機械性能好、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)勢在應(yīng)用方面有很大的前景。
　　本論文研究了摻雜元素的含量和種類以及制備方法和制備條件對鈷鐵氧體微觀形貌、晶體

3、結(jié)構(gòu)和磁性和磁致伸縮性能的影響。所有實驗均采取廢舊鋰離子電池作為原料。首先，采用溶膠-凝膠自蔓延的方法，研究了少量稀土元素Ho、Gd和Sm摻雜對鈷鐵氧體磁性和磁致伸縮性能的影響;其次，利用溶膠-凝膠微波水熱的方法，研究了微波水熱反應(yīng)時間t、氫氧化鈉溶液濃度(CNaOH)以及Mn和Ni摻雜對鈷鐵氧體性能的影響。然后，通過溶膠-凝膠自蔓延法研究了Ho、 Sm和Gd之中任意兩種元素?fù)诫s對銅鈷鐵氧體Cu0.1Co0.9Fe2O4的影響。最后，討

4、論了不同種類和價態(tài)Cu、Ni、Zn、Cr和Al元素的影響。制備獲得的鐵氧體納米顆粒通過X射線衍射儀(XRD)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、能譜儀(EDS)、透射電子顯微鏡(HR-TEM)、傅立葉紅外變換光譜(FT-IR)以及振動樣品磁強計(VSM)等對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征和調(diào)控。
　　通過研究表明:
　　(1)稀土摻雜得到Cu0.1 Co0.9RFxFe2-xO4(RE=Ho、Gd或Sm)體系，但由于RE3+離子較大

5、的離子半徑，當(dāng)RE3+的摻雜量x達(dá)到一定量時，雜質(zhì)相REFeO3將會產(chǎn)生，表明RE摻雜存在溶解度限制;跟著x增長，飽和磁化強度Ms和最大磁致伸縮系數(shù)λmax逐漸降低，最大應(yīng)變導(dǎo)數(shù)dλ/dHmax在某一含量時呈現(xiàn)最高值，且最大λmax值-163.5 ppm和dλ/dHmax值-1.28×10-9 A-1m在Ho3+含量為x=0.05時獲得。
　　(2)溶膠-凝膠微波水熱法制備鈷鐵氧體的適宜條件是微波水熱反應(yīng)溫度220℃，微波水熱反應(yīng)

6、時間2.0 h，氫氧化鈉溶液濃度為8 mol/L。微波加熱的方式較傳統(tǒng)加熱方式大大降低了反應(yīng)時間，提升反應(yīng)速率，降低能耗，得到的產(chǎn)品顆粒均勻，磁致伸縮性能為-122.7 ppm。Mn摻入鈷鐵氧體主晶格結(jié)構(gòu)時會引起λmax隨著Mn含量的增加而有所降低，但卻能夠使dλ/dHmax有所改善。而Ni摻雜時λmax和dλ/dHmax均隨Ni含量的增長而下降。
　　(3)稀土雙摻雜較同等含量時的單一稀土元素?fù)诫s能在維持λmax的同時，小幅度的

7、提升dλ/dHmax。
　　(4)三價金屬離子摻雜體系CoHo0.05Sm0.05M0.1Fe1.8O4(M=Cr或Al)和二價金屬離子摻雜體系Co0.9Ho0.05Sm0.05N0.1Fe1.9O4(N=Cu、 Ni或Zn)，λmax呈現(xiàn)Cu＞Ni＞Cr＞Al＞Zn的趨勢，說明Cu摻雜有利于鐵氧體磁致伸縮性能的提升，且總的來說，二價金屬離子摻雜對磁致伸縮性能的作用要高于三價金屬離子。
　　本文研究的創(chuàng)新點在于: