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铁基氧化物微纳结构的可控制备、微观结构及其储锂性能研究

刘欢庆  
【摘要】:随着电动交通工具、电化学储能市场的不断发展,开发能量密度高且循环寿命长的锂离子电池已成为广大科研工作者们关注的热点。铁基氧化物材料由于具有较高的理论储锂容量、环境友好、资源丰富等优点,而被广泛研究。但铁基氧化物存在电导率低和充放电过程中大的体积膨胀等问题,导致其循环稳定性较差。对此,本论文对铁氧化物负极材料的微观结构进行设计和优化来提升其储锂性能,主要研究内容与结果如下:(1)利用水热法合成了长度约1μm,宽度约200 nm的新型针铁矿(α-FeOOH)截角四棱柱。获得的单晶α-FeOOH有六个侧面,包括两个{020}和四个{110}面。此外,α-FeOOH相的形成与?-FeOOH相的生长及其随后的转变有关。棱柱结构有助于保持结构稳定,避免电极粉碎过程,并且在循环期间产生的微晶能够增加电极和电解质之间的接触面积。因此,α-FeOOH电极显示出良好的循环性能,在100 mA g~(-1)下循环100次后仍具有870 mAh g~(-1)的可逆比容量。(2)在不同温度下煅烧前驱体制备出孔隙可调的Fe_2O_3纳米棒。通过两步法可以有效控制Fe_2O_3纳米棒的形貌、孔隙和结构。在400,500和600oC下退火获得的三种不同多孔结构的Fe_2O_3,且随着退火温度升高,孔径增加。电化学性能测试表明,与在400和600oC下得到的多孔Fe_2O_3纳米棒相比,在500oC下获得的多孔Fe_2O_3纳米棒具有更好的循环稳定性和倍率性能。其在1、2 A g~(-1)条件下200次循环后分别保持707.4和687.7 mAh g~(-1)的高比容量。与另外两种多孔纳米棒相比,500oC条件下得到的多孔纳米棒具有更合适的孔径分布且多孔骨架更坚固,这有助于提高电极结构的稳定性和发挥多孔结构的优势,从而提升电极的循环稳定性和倍率性能。(3)采用简单的水热法,制备了FeOOH纳米颗粒/还原氧化石墨烯(FeOOH/rGO)原位复合材料。将其用作锂离子电池负极材料时,FeOOH/rGO复合物表现出了较好的循环稳定性和倍率性能。电化学性能的改善主要是由于FeOOH和rGO的协同作用。石墨烯纳米片良好的导电性以及对应力的缓冲作用在一定程度上改善了电极材料的电化学性能。在100 mA g~(-1)下充放电经过100次后,FeOOH/rGO复合材料电极的可逆比容量保持在490 mAh g~(-1)左右,远高于纯FeOOH纳米颗粒电极的比容量。


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