铁氧化物锂离子电池负极材料的设计、制备及电化学性能分析.pdf

摘要 摘要 市场对高性能锂离子电池的迫切需求正推动着新一代锂离子电池电极材料 容量和高倍率性能成为新型锂离子电池负极材料的研究热点。其中铁氧化物 (Fe公Oy)具有理论容量高、资源丰富、结构稳定和环境友好等优点，成为非常 受关注的锂离子电池负极材料。目前作为负极材料的Fe如，主要是Fe203和Fe304， 理论容量分别达至1]1007和928 mAh91。但是F印，用作锂离子电池负极材料依然 面临很大的障碍：首先，FexOy的储锂属于转化类机制，即储锂后生成纳米Fe和 Li20颗粒(5rim)，纳米Fe具有很强的催化作用，易引起大量不可逆副反应， 造成较大的首次不可逆容量。其次，材料在储锂前后物质结构发生改变，巨大 的体积变化会使材料表面的SEI膜被破坏，使电极材料暴露在电解液中而造成活 性材料的消耗，导致较差的循环稳定性。 目前，克HHFep。负极材料缺点的主要方法是将材料进行碳包覆形成核壳结 构，其中碳层具有高导电率、良好的Li+渗透性和缓冲体积膨胀等作用。材料介 孔化是缓解材料在脱嵌锂过程中体积膨胀的一种方法，介孔结构可以为体积膨 胀提供缓冲空间，但是介孔材料巨大的比表面同样容易引起大量不可逆副反应。 能不能将碳包覆和介孔结构同时应用到同一种材料中?其中介孔结构起缓冲体 积变化的作用，碳层起导电和保护活性材料的作用。本论文主要以Fe304为对象， 研究同时具有碳包覆和介孔结构的铁氧化物复合材料的组成、形貌、结构和电 化学性能。 C6H1206·H20为前驱体，经过两步水热和一步焙烧过程制备而成。采用水热方法 制备了仅．FeOOH@C纳米棒，经过氩气条件下焙烧处理后，0【．FeOOH被C还原为 Fe304，同时失水形成介孔结构，最终得到介孔Fe304@C微胶囊纳米复合材料。 具有特殊结构的Fe304@C纳米复合材料表现出很高的放电比容量和良好的循环 稳定性，经过50周循环后放电比容量仍能保持在1010 mAhg1。 水热方法制备得到。将仪．Fe203纳米球经过水热包碳和氩气下焙烧处理后，得到 摘要 Fe304@C纳米球复合材料。将Fe304@C复合材料在空气中继续焙烧，最终得到 ),-Fe203纳米球。虽然材料经过了两次物质结构变化，但是介孔结构未被破坏。 三种材料作为锂离子电池负极材料时均表现出很高的首次放电比容量，但是随 着循环次数的增加，三种材料的放电比容量变化明显不同。Fe304@C纳米球复合 材料经过30周充放电后放电比容量能保持在589mAhg1，而0【-Fe203和丫-Fe203的 放电比容量衰减到100 mAhg1左右。 两种Fe304@C纳米复合材料均表现出良好的电化学储锂性能，这与材料中存 在的碳层和介孔结构有关。碳层可以有效减少副反应的发生和限制电极材料的 体积膨胀；介孔结构可以为体积变化提供缓冲空间。这种将介孔结构内核和碳 壳层相结合的概念可以应用到其它锂离子电池电极材料中。 关键词：核壳结构；介孔材料；铁氧化物；负极；锂离子电池 II Abstract Abstract The demandfor sourceshas ever-growinghigh-performancepower prompted tremendousresearcheffortstoward newelectrodematerials developing for lithium—ion characteristics， next-generation batteries(LIBs)．W油unique transition—metal as