四氧化三铁/石墨烯复合锂离子电池负极材料的制备及其结构和性能研究

摘要

随着高性能电子产品、电动汽车、可再生能源的发展，对锂离子电池的能量密度、循环性能、倍率性能以及安全性提出了前所未有的高要求。为了使锂离子电池能满足人们的需求，大批国内外科研工作者正努力探索性能更优良的新型电极材料。
　　Fe3O4是一种比较具有应用潜力的负极材料，其理论比容量为926mAh·g-1，且具有价格低廉、资源丰富、对环境友好等特点。但其电子导电性差，且在充放电过程中会产生较大的结构和体积变化，导致了颗粒和整个电极的结构破坏，因而循环寿命较差。本文采用Fe3O4和石墨烯复合的方式，旨在改善Fe3O4的循环稳定性。主要研究结果如下:
　　(1)采用热还原制备的石墨烯纳米片(Graphene nanosheets GNSs)分散在FeCl3溶液中，经过水热反应和煅烧处理后生成了Fe3O4/GNSs二维复合材料。材料在175mA·g-1电流密度下经过50次充放电循环，仍然然具有816mAh·g-1的比容量。在电流密度为175、350、700和1400mA·g-1的大电流下分别进行10次充放电循环后，再在175mA·g-1电流密度下进行充放电循环，材料仍具有723mAh·g-1的比容量。
　　(2)采用静电自组装方法，分两步合成Fe(OH)3/GO前驱体（GO:氧化石墨烯），再通过水热反应和600℃高纯氮气气氛下煅烧，获得了Fe3O4/石墨烯三维复合材料。电化学测试结果表明其具有优良的电化学性能:除首次外最高放电容量为976mAh·g-1，50次循环后容量为819mAh·g-1。通过对比实验表明，三维石墨烯网络结构的形成对复合材料的电化学循环稳定性起着关键作用。
　　(3)研究水热过程中乙二醇(EG)和醋酸钠(NaAC)的含量对Fe3O4/G三维复合材料的形貌结构和电化学性能的影响。研究表明:EG和H2O的混合溶液做为水热溶剂，能提高复合材料的均匀度。当EG和H2O的体积比为1∶1、NaAC为0.1g时的试样具有最优性能，在175mA·g-1电流密度下经过50次充放电循环后试样比容量为947mAh·g-1。而过量的NaAC会干扰Fe(OH)3颗粒和GO之间的静电作用.

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池的发展简史

1．2．2 锂离子电池的结构及工作原理

1．2．3 锂离子电池的优缺点

1．3 锂离子电池电极材料研究概况

1．3．1 锂离子电池正极材料

1．3．2 锂离子电池负极材料

1．4 四氧化三铁负极材料研究进展

1．4．1 Fe3O4的包覆改性研究

1．4．2 Fe3O4纳米化改性研究

1．5 石墨烯应用简介

1．5．1 石墨烯的制备

1．5．2 石墨烯在锂电池负极材料中的应用

1．6 论文的思路和研究内容

第二章 实验仪器与方法

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验设备

2．2 材料表征

2．2．1 X-射线衍射(XRD)分析

2．2．2 扫描电镜(SEM)分析

2．2．3 透射电镜(TEM)分析

2．2．4 元素分析

2．2．5 比表面积和孔径分析

2．2．6 拉曼分析(Raman)

2．2．7 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．3 电化学性能测试

2．3．1 扣式电池制作

2．3．2 循环性能测试

2．3．3 交流阻抗谱(EIS)测试

第三章 二维Fe3O4／石墨烯复合材料制备和电化学性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 热还原制备石墨烯片GNSs

3．2．2 Fe3O4／GNSs的制备

3．2．3 Fe3O4／石墨的制备

3．3 球磨制备的Fe3O4／石墨性能研究

3．3．1 Fe3O4／石墨试样的结构表征和形貌分析

3．3．2 Fe3O4／石墨试样的电化学性能测试

3．4 二维结构Fe3O4／GNSs的制备与性能研究

3．4．1 试样Fe3O4／GNSs结构表征和形貌分析

3．4．2 Fe3O4／GNSs试样电化学性能研究

3．5 本章小结

第四章 三维石墨烯网络Fe3O4／G复合材料

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 制备氧化石墨

4．2．2 FeaO4／G的制备

4．2．3 Fe3O4／G电化学性能测试

4．3 Fe3O4／G复合材料的表征

4．4 电化学性能测试

4．5 本章小结

第五章 三维Fe3O4／G复合材料改性研究

5．1 引言

5．2 材料的制备

5．2．1 改性Fe3O4／G的制备

5．2．2 Fe3O4／G电化学性能测试

5．3 乙二醇作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G复合材料性能研究

5．3．1 乙二醇作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G表征和形貌分析

5．3．2 EG作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G电化学性能研究

5．4 EG和H2O的混合溶液作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G复合材料性能研究

5．4．1 EG和H2O作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G表征和形貌分析

5．4．2 EG和H2O作为水热溶剂制备出的Fe3O4／G电化学性能研究

5．5 水热反应中NaAC的含量对Fe3O4／G复合结构性能影响研究

5．5．1 NaAC的含量对Fe3O4／G复合结构形貌的影响

5．5．2 NaAC的含量对Fe3O4／G复合结构电化学性能的影响

5．6 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

作者简介

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果