Fe3O4-石墨烯复合材料的制备及其电化学性能研究

摘要

锂离子电池是目前应用最为广泛、最有前景的高能蓄电池之一。目前，通用的碳负极材料因其较低的比容量已不能满足锂离子电池高能源密度的应用要求，因此，研发新型的高比容量的锂离子电池负极材料成为了当前锂离子电池领域的热点。Fe3O4作为一种重要的过渡金属氧化物，具有理论比容量高、成本低、环境友好等优点，已开始应用于锂离子电池负极材料中。然而Fe3O4在充放电过程中存在循环稳定性和倍率性能较差的问题，直接影响了其在锂离子电池中的应用效果。石墨烯（GN）作为一种新型的二维碳材料，因其具有优异的导电性、高的理论比表面积、良好的机械性能等，开始受到锂离子电池研究领域的极大关注。本研究为制备出稳定的Fe3O4-GN复合材料，在探索 Fe3O4颗粒制备工艺条件的基础上，采用静电吸附与原位生长两种不同的方式将 Fe3O4与 GN进行复合，并分别对其电化学性能进行测试研究。主要研究结果如下：
　　（1）以 FeCl2·4H2O为铁源，在水合肼的作用下通过溶剂热法制备出物相单一的磁性 Fe3O4颗粒，初步研究了合成体系的组分、溶剂、温度对Fe3O4形貌的影响。结果显示水合肼在形成纯净的Fe3O4产物起到了关键作用，溶剂乙二醇对控制 Fe3O4的成核与生长，得到形貌规则、结晶性好的晶体起到重要作用，180℃下制备的颗粒才具有多孔的结构，聚乙二醇1000能有效地防止颗粒的团聚。SEM与TEM照片表明Fe3O4颗粒为分散均匀的多孔球形颗粒，粒径约为160 nm。当所制备的Fe3O4作为电极材料使用时，0.1 C（1 C=924 mA·g-1）倍率下首次放、充电比容量分别为1342和991 mAh·g-1，但其倍率性能与循环性能并不理想。
　　（2）以石墨为原料，采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯（GO），再以水合肼为还原剂、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）为表面活性剂制备了表面带负电的GN，利用静电吸附作用，与制备的带正电的Fe3O4相复合，获得了稳定的Fe3O4-GN复合材料；XRD结果表明复合材料是由立方晶型的Fe3O4和无序排列的GN组成，FT-IR和Raman结果表明 GO被水合肼还原，SEM照片显示粒径约为160 nm的Fe3O4球形颗粒均匀地分布在GN片层表面；当所制备的Fe3O4-GN复合材料作为电极材料使用时，0.1 C倍率下首次放、充电比容量分别为1847和1189 mAh·g-1，在高倍率下放、充电比容量维持率也能保持在62.2％、59.5%，并且在1 C倍率下循环50次后其放、充电比容量为首次的67.5%、73.2%，表现出较好的倍率性能和循环性能。
　　（3）在制备Fe3O4的工艺基础上，直接以 GO、FeCl2·4H2O为原料，在水合肼的作用下，通过溶剂热法一步制备得到了Fe3O4-GN复合材料（Fe3O4的形成、GO的还原以及 Fe3O4在 GN表面的负载是同时完成）；XRD结果表明复合材料是由立方晶型的Fe3O4和无序排列的GN组成，FT-IR和Raman结果表明复合材料中的GO在溶剂热过程中被水合肼所还原，SEM照片表明粒径约为160 nm的Fe3O4球形颗粒均匀地分布在GN片层表面；当所制备的Fe3O4-GN复合材料作为电极材料使用时，0.1 C倍率下首次放、充电比容量分别为1912和1450 mAh·g-1，在高倍率下放、充电比容量维持率也能保持在41.9%、31.6%，并且在1 C倍率下循环50次后其放、充电比容量为首次的83.5%、94.7%，表现出较好的倍率性能和循环性能。与第三章制备的Fe3O4-GN电极相比，循环性能较好一些，但倍率性能相对逊色一些，这一方面与 Fe3O4颗粒在 GN表面的负载情况有关，另一方面与两者之间的结合方式有关。

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第1章 绪论

1.1锂离子电池

1.2 Fe3O4的研究概况

1.3 石墨烯

1.4 Fe3O4-GN复合材料的研究进展

1.5 本课题研究目的、意义及内容

第2章 溶剂热法制备Fe3O4及其电化学性能研究

2.1 前言

2.2实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 两步法制备Fe3O4-GN复合材料及其电化学性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 一步溶剂热法制备Fe3O4-GN复合材料及其电化学性能研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文