金属氧化物/碳纳米纤维复合材料的制备及其储锂性能研究

摘要

近年来，基于静电纺丝技术制备FeOx/碳纳米纤维复合材料以及SnO2/碳纳米纤维复合负极材料的研究得以迅速发展，并被广泛应用于电池负极的开发中。该方法可同时实现活性FeOx及SnO2材料纳米化及与碳基材料的复合化，该类复合材料在提高金属氧化物导电性的同时，有效缓解金属氧化物循环过程中的体积膨胀。针对静电纺FeOx/碳纳米纤维负极材料中存在的关于铁的氧化程度、FeOx纳米颗粒迁移结构以及碳基体石墨化程度对电化学性能影响机制不明确的问题，SnO2/碳纳米纤维复合负极材料中纳米SnO2的共混及后处理工艺影响碳纤维基体稳定性的问题，论文进行了如下研究:
　　(1)通过在聚丙烯腈(PAN)纺丝液中添加铁盐前驱体(FeCl3·6H2O)，经静电纺丝及预氧化碳化成功制备铁氧化物/碳纳米纤维复合材料(FeOx/CNFs)。通过调整碳化温度(400℃、600℃、800℃、1000℃)，FeOx/CNFs材料中FeOx纳米颗粒随着温度的升高逐渐向纤维表面迁移，铁氧化物从高价的Fe2O3逐渐被还原为FeO和Fe，碳基体缺陷及杂原子减少，碳石墨化程度提高。通过对不同碳化温度下各材料电化学性能进行对比分析，系统探究了上述变化因素对FeOx/CNFs材料电化学性能的影响机制:当碳化温度为800℃时，FeOx纳米颗粒部分包覆在纤维内部分分布在纤维表面，铁氧化物以FeO和Fe为主要组分以及碳基体高石墨化程度，三者协同导致FeOx/CNFs(800℃)材料拥有稳定的循环性能（循环60次后材料容量仍可保持在～674 mAhg-1）和突出的倍率性能。
　　(2)基于同步静电纺丝/静电喷雾技术及后续预氧化碳化制备负载SnO2/C纳米团簇的碳纳米纤维复合材料(SnO2/CNFs)。该方法通过同步静电喷雾在碳纳米纤维外均匀地引入SnO2/C纳米团簇，极大地减少了共混纺丝中因活性物质的掺入对碳纳米纤维基体稳定性的影响，同时，静电喷雾产生的SnO2/C纳米团簇本身具有较稳定的活性，且与纤维基体稳定牢固结合。SnO2/CNFs材料展现出稳定的循环性能（50次循环后容量维持在～520 mAhg-1，库伦效率保持在98％以上）及优异的倍率性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 锂离子电池概述

1．1．2 锂离子电池负极材料概述

1．1．3 锂离子电池负极材料的发展

1．2 金属氧化物负极材料的研究现状

1．2．1 铁氧化物(FeOx)负极材料存在的问题及解决方法

1．2．2 锡氧化物(SnO2)负极材料存在的问题及解决方法

1．3 静电纺丝技术在FeOx及SnO2负极材料中的应用

1．3．1 静电纺丝原理

1．3．2 静电纺FeOx／碳纳米纤维负极材料的研究现状

1．3．3 静电纺SnO2／碳纳米纤维负极材料的研究现状

1．4 本论文主要研究内容

第二章 实验及表征测试方法

2．1 实验试剂

2．2 仪器设备

2．3 材料表征

2．3．1 扫描电子显徼镜(SEM)与能谱分析(EDS)

2．3．2 透射电子显微镜(TEM)

2．3．3 X射线衍射(XRD)

2．3．4 拉曼光谱(Raman)

2．3．5 X射线光电子能谱(XPS)

2．4 电池组装与性能测试

2．4．1 电极片的制备

2．4．2 扣式电池组装

2．4．3 循环伏安测试(CV)

2．4．4 恒流充放电测试

2．4．5 交流阻抗测试(EIS)

第三章 FeOx／CNFs复合材料的制备及其储锂性能

3．1 引言

3．2 FeOx／CNFs复合材料的制备及表征

3．3 结果与讨论部分

3．3．1 FeOx／CNFs复合材料形貌与结构分析

3．3．2 FeOx／CNFs复合材料FeOx氧化程度分析

3．3．3 FeOx／CNFs复合材料碳石墨化程度分析

3．3．4 FeOx／CNFs复合材料储锂性能分析

3．4 本章小结

第四章 同步静电纺／静电喷SnO2／CNFs材料制备及其储锂性能

4．1 引言

4．2 同步静电纺／静电喷SnO2／CNFs复合材料的制备及表征

4．3 结果与讨论部分

4．3．1 SnO2／CNFs复合材料形貌与结构分析

4．3．2 SnO2／CNFs复合材料晶体组分及碳基体结构分析

4．3．3 SnO2／CNFs复合材料储锂性能分析

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 今后工作展望

参考文献

硕士期间发表论文及专利

致谢