铁氧化物阵列结构电极材料的制备、改性及储锂性能研究

摘要

作为新型锂离子电池负极材料，铁氧化物因其理论比容量高、安全性好、环境友好和价格低廉等优点，近些年引起研究人员的极大关注。然而，和其他过渡金属氧化物一样，铁氧化物纳米材料存在导电性差、充放电过程中较大的体积变化、易团聚等缺点而造成电极的极化和严重破坏，使其倍率性能与循环性能较差。为了克服这些缺点，一个行之有效的方法就是合理的设计出具有体积膨胀包容性好、电子与离子迁移能力强、机械结构稳定等特点的纳米结构电极。本文以Cu(OH)2纳米棒阵列为模板，采用一种模板参与的水解诱导氧化还原反应方法和热处理过程，在铜基底上成功地制备了三维(3D) Cu/Fe3O4纳米棒阵列、Cu-Fe2O3/C和Cu-Fe3O4/C复合纳米结构阵列，并分别将它们直接作为锂离子电池的电极，在很大程度上克服了上述缺点，提高了储锂性能。初步探索了Cu/Fe3O4纳米结构阵列在Fe3O4/LiFePO4锂离子全电池中应用。具体内容如下:
　　1、以Cu(OH)2纳米棒阵列为模板，首次利用一种全新的水解诱导氧化还原反应(HIR)策略和热还原过程成功地制备了Cu/Fe3O4纳米棒阵列。相比于传统制备方法，这种制备稳定结构Cu/Fe3O4纳米结构阵列具成本低、条件温和、过程简单等优点。在Cu/Fe3O4纳米结构阵列中，高导电性的铜纳米棒与铜基底一起形成了一个井然有序的3D纳米集流体。与Fe3O4纳米粉体相比，Cu/Fe3O4纳米棒阵列直接作为锂离子电池电极表现出了优异的循环性能和倍率性能，在5C电流密度下，500次循环之后可逆容量为543.5 mAh g-1，容量保持率为86％。在15C倍率下，放电比容量为289.2 mAh g-1。结果表明，Cu/Fe3O4纳米棒阵列是一种很有前途的锂离子电池电极。
　　2、以Cu(OH)2纳米棒阵列为模板，FeCl2溶液为还原剂，制备了Cu2O-Fe(OH)3纳米管阵列。将得到的Cu2O-Fe(OH)3纳米管阵列通过浸渍吸附葡萄糖溶液后，在N2和Ar/H2气氛下煅烧分别得到了Cu-Fe2O3/C纳米结构阵列和Cu-Fe3O4/C纳米结构阵列。表征结果显示，所制备的Cu-Fe2O3/C和Cu-Fe3O4/C能够保持均匀的、完整的纳米结构阵列;电化学性能测试结果显示，相比于Cu2O-Fe2O3纳米结构阵列，Cu-Fe2O3/C纳米结构阵列具有较为优异的倍率性能，在16C倍率下放电比容量可达539 mAh g-1; Cu-Fe3O4/C纳米结构阵列与Cu-Fe3O4纳米结构阵列相比，其具有优异倍率和循环性能，在16C倍率下放电比容量为417 mAhg-1，在1.6 C倍率下循环200次后，容量保持率为131.7％(1 C=1000 mAh g-1)。结果表明，碳包覆改性铁氧化物纳米结构阵列能有效提高它们的电化学性能。
　　3、通过水热反应制备磷酸铁锂前驱体，并结合后期热处理过程制备了镁离子（Mg2+）掺杂、碳包覆的磷酸铁锂正极材料。电化学性能测试结果表明，镁离子掺杂后的磷酸铁锂材料具有较高的放电比容量(0.1 C放电比容量达158.8 mAhg-1，1 C=150 mAh g-1)、优越的倍率性能(20 C放电比容量为77.2 mAh g-1)和循环性能（1C倍率下循环200次后容量保持率为89.2％），同时减小了极化和电荷迁移电阻。结果表明，该合成路线是提高水热法制备磷酸铁锂正极材料电化学性能的有效方法。利用自制的LiFePO4正极和Cu/Fe3O4负极构建了Fe3O4/LiFePO4锂离子全电池，并测试了全电池的倍率和循环性能。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池负极材料

1．2 过渡金属氧化物储锂机制

1．3 铁氧化物纳米材料的研究进展

1．3．1 铁氧化物纳米粉体材料

1．3．2 铁氧化物纳米结构阵列材料

1．4 三维(3D)纳米结构电极的研究进展

1．4．1 三维纳米结构电极的优势

1．4．2 三维(3D)纳米结构电极的制备方法

1．4．3 Fe3O4基三维纳米结构电极

1．5 本课题选题依据与研究内容

1．5．1 选题依据

1．5．2 研究内容

参考文献

第二章 Cu／Fe3O4纳米棒阵列的制备及储锂性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料及实验设备

2．2．2 样品制备

2．2．3 样品表征

2．2．4 材料的电化学性能研究

2．3 结果与讨论

2．3．1 产物的表征

2．3．2 Cu／Fe3O4纳米棒阵列的形成机理

2．3．3 Cu／Fe3O4纳米棒阵列的电化学性能

2．3．4 工艺条件

2．4 本章小结

参考文献

第三章 碳包覆铁氧化物一维纳米结构阵列的制备及储锂性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料及实验设备

3．2．2 样品制备

3．2．4 样品表征

3．2．5 电化学性能研究

3．3 结果与讨论

3．3．1 Cu2O-Fe2O3纳米结构阵列的表征

3．3．2 Cu2O-Fe2O3纳米结构阵列的电化学性能

3．3．3 Cu-Fe2O3／C纳米结构阵捌的表征

3．3．4 Cu-Fe2O3／C纳米结构阵列的电化学性能

3．3．5 Cu-Fe3O4／C纳米结构阵列的表征

3．3．6 Cu-Fe3O4／C纳米结构阵列的电化学性能

3．4 本章小结

参考文献

第四章 镁离子掺杂磷酸铁锂的制备及电化学性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 化学试剂和实验仪器

4．2．2 材料的制备

4．2．3 正极片的制作与电池组装

4．2．4 样品表征与电池性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 水热LiFePO4产物表征

4．3．2 Mg2+掺杂LiFePO4产物的表征

4．3．3 Mg2+掺杂LIFePO4产物的电化学性能

4．3．4 Fe3O4／LiFePO4全电池

4．4 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

附录

攻读硕士学位期间发表的论文