锂离子电池负极材料Fe3O4及其复合材料的合成与电化学性能研究

摘要

Fe3O4有926 mAh/g较高的理论比容量，且无毒、环境友好、成本较低，成为近年来的研究热点。但材料却存在电导率低、团聚较严重、循环过程体积变化大等不足，使得Fe3O4材料在作为锂离子电池负极材料时的循环性能不理想。因此，制备和改进Fe3O4材料使其具有更优异的循环性和倍率性非常有意义。因此，本文采用水热法制备了3种形貌不同的Fe3O4粒子，通过对结构和化学性能的表征发现，其中以硫酸铁和硫酸亚铁为原料制备的具有多孔结构的花状四氧化三铁电化学性能最好。在100mA/g电流密度下，容量可达到780mAh/g。2000mA/g电流密度下循环100次，容量稳定在550mAh/g，表现出较好的循环性和稳定性。
　　为了提高花状Fe3O4的电化学性能将其和层状金属硫化物MoS2进行复合。类石墨烯结构的MoS2和花状的Fe3O4通过片层之间的自组装制备出特殊结构的复合材料，Fe3O4花状纳米结构可以避免粒子间的重叠和团聚现象，MoS2的片状结构具有比表面积大，Li+扩散路径短等优点。具有较高储锂容量的MoS2，可以提高材料的电化学性能。在100 mA/g电流密度下，循环200次后复合电极材料的放电比容量仍保持在1350 mAh/g。即使在较大电流密度1000 mA/g和2000 mA/g循环500次后容量仍保持在630 mAh/g和540 mAh/g，远高于原始Fe3O4材料的理论容量。
　　采用简单的超声物理复合法和化学原位复合法分别制备了 Fe3O4/MWCNTs复合材料，重点考查了不同复合方法对材料电化学性能的影响，其中化学原位复合法得到 Fe3O4/MWCNTs复合材料的在电流密度200 mA/g时容量约为950 mAh/g，经过不同电流密度循环后在100 mA/g电流密度时容量仍可以达1030 mAh/g的较高容量，高于纯四氧化三铁的理论容量。同 Fe3O4/MoS2复合材料相比，化学原位复合法制备的Fe3O4/MWCNTs材料的电化学性能更加突出。
　　本论文的工作为四氧化三铁负极材料在锂离子电池中的应用研究提供了可靠的理论依据和可行的解决方案。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 本论文的选题意义及研究进展

第2章 实验部分

2.1 实验主要原料和仪器

2.2 实验测试仪器

2.3 材料的制备

2.4 主要表征手段

2.5 电池的组装和电化学测试

第3章 花状Fe3O4纳米微结构的合成与电化学性能研究

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.3 花状Fe3O4材料循环后结构变化

3.4 本章小结

第4章 Fe3O4/MoS2复合材料的合成与电化学性能研究

4.1 引言

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 Fe3O4/MWCNTs复合材料合成与电化学性能研究

5.1 引言

5.2 结果与讨论

5.3 Fe3O4/MWCNTs纳米复合材料的性能分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢