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《江南大学》 2018年
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CoFe_2O_4复合纳米纤维材料的静电纺制备及性能研究

夏兆康  
【摘要】:化石能源作为一种不可再生资源,其储备量随着当今工业的发展而逐渐减少,且其在使用过程中会产生大量的二氧化硫和烟尘,造成环境恶化。因此,开发清洁的可再生能源以及安全高效的储能装置已成为世界能源领域的研究热点。锂离子电池是当前市场上较为常见的储能设备,有着电化学性能优异、安全可靠、生态环保等优点,是解决可再生能源储能问题的行之有效的方法。但是随着人民物质文化需要的日益增长,当前市场上的锂离子电池已经逐渐无法满足人们对于电子设备高效续航的需要。负极材料对锂离子电池的综合性能起到关键作用。在众多种类的负极材料中,过渡金属氧化物由于本身理论比容量较高、原料来源广泛和成本低廉等特性,在锂离子电池负极材料研究领域具有广阔的应用前景。基于此思路,本论文采用静电纺丝技术、原位聚合和水热还原等方法制备了铁酸钴纳米纤维(CoFe_2O_4)、铁酸钴/聚吡咯复合纳米纤维(CoFe_2O_4/PPy)以及铁酸钴/石墨烯复合纳米纤维(CoFe_2O_4/rGO)三种锂离子电池负极材料。其中,本文重点研究了CoFe_2O_4纳米纤维的制备及改性方法,并对改性前后纳米纤维的电化学性能进行了对比分析,研究内容包括:(1)首先通过静电纺丝技术制备得到直径均匀的PAN/Co(CH_3COO)_2/Fe(NO_3)_3纳米纤维毡,然后将其分别置于600~oC和800~oC下高温煅烧得到CoFe_2O_4纳米纤维。通过TG、XRD、SEM和TEM等方法对CoFe_2O_4纳米纤维的结构和形貌进行了分析表征,XRD结果表明在800~oC时制备得到的CoFe_2O_4纳米纤维结晶程度更高,晶型发育完整,晶粒更大。SEM显示纤维表面粗糙,取向度较好,彼此间成网状结构。BET结果显示该材料具有较大的比表面积,可以增大极片与电解液之间的比表面积,有利于锂离子和电子的传导和扩散。电化学测试结果表明,CoFe_2O_4纳米纤维负极材料在50 mA/g的电流密度下,初始放电容量为696 mAh/g,经过50次充放电后比容量有所衰减,仍能保持在412 mAh/g,容量保持率为59.5%。在经过高电流密度循环后电池容量仍能够恢复至400 mAh/g,体现出良好的循环稳定性能和大倍率性能。(2)为了进一步提高CoFe_2O_4纳米纤维的电化学性能,采用原位聚合的方法将聚吡咯包覆在CoFe_2O_4纳米纤维表面,制备得到不同比例的CoFe_2O_4/PPy复合纳米纤维负极材料。电化学性能结果显示,经聚吡咯包覆的CoFe_2O_4纳米纤维电化学性能均有一定程度的提升,说明聚吡咯能够缓冲由于循环过程中锂离子不断脱嵌/嵌入而引起的体积膨胀,使材料的结构稳定性得到提升,同时聚吡咯的包覆也使材料的导电性得到提高,从而改善了材料的电化学性能。其中,CP2复合纳米纤维(CoFe_2O_4纳米纤维与吡咯单体的摩尔比例为2:1)表现出最为优异的电化学性能,该材料的首周充放电比容量分别为810 mAh/g和1285 mAh/g,首周的库伦效率约为63.0%,放电比容量在50次完全充放电后保持在649 mAh/g,相比于单纯的CoFe_2O_4纳米纤维电化学性能得到了明显的提升,而且电化学性能高于其他比例的复合纳米纤维。(3)结合静电纺丝、水热还原和冷冻干燥技术制备合成了多孔结构CoFe_2O_4/rGO复合纳米纤维。电化学性能结果显示,CoFe_2O_4/rGO复合纳米纤维在50 mA/g的电流密度下,放电比容量达到1243 mAh/g,循环200周后比容量仍能保持在865mAh/g,并且大倍率性能也表现良好。层片状结构rGO的包覆显著提升了材料的导电性,并且在一定程度上缓解了电极材料由于锂离子脱嵌/嵌入引起的剧烈体积变化,保证了电极材料的结构稳定性,最终使CoFe_2O_4/rGO复合纳米纤维获得了优异的电化学性能。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ342.94

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