过渡金属铁镍化合物的制备及其在锂离子电池负极材料中的应用研究

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随着科学技术的快速发展,各类电动交通工具和电子通信设备,已经广泛的被人们使用,传统能源材料已经不能满足日益增长的国民需求。所以需要研究开发一种原材料成本低、污染小、电化学性能优良的电池材料来代替传统能源材料,于是探究性能优越的锂离子电池材料已经成为了科学家们的研究热点。目前,市场上商业使用的锂离子电池负极材料主要是碳基石墨材料,石墨作为负极材料的优点是:材料结构稳定、锂离子迁移的可逆性强、循环性强,缺点是:材料电容量低。随着研究发现,过渡金属氧化物作为负极材料具有电容量高的优点,但是这类材料在锂离子迁移过程中,材料体积变化较大、材料结构易塌陷、造成可逆性差、循环性能差的结果。碳基材料和过渡金属氧化物材料复合刚好可以弥补彼此的缺点,所以碳基复合过渡金属氧化物负极材料开始成为了科学家们的研究热点。本文介绍了一种制备工艺流程简单、可工业化、原材料价格便宜、产物污染小的方法制备碳复合过渡金属氧化物锂电池负极材料,并对材料的电化学性能进行了探究。本文的碳基材料是实验室自制的液态聚丙烯腈(LPAN),低聚合度的液态聚丙烯腈在一定温度条件下会发生交联形成网状结构,最终形成类石墨烯结构。过渡氧化物选用的是氧化铁、氧化镍。本文制备了三种过渡金属化合物材料,分别是铁化合物负极材料、镍化合物负极材料和铁镍化合物负极材料,主要内容如下:(1)用自制的液态聚丙烯腈形成碳结构,用价格便宜的氧化铁作为过渡金属氧化物,以单宁酸作为表面修饰剂,采用流程简单的共沉淀法,制备质量比为m(Fe2O3)wt.%=60%、70%、80%的铁化合物负极材料,探究三个质量比的复合材料在惰性气体条件下,材料煅烧温度条件为600℃-4h、700℃-4h、800℃-4h下得到的产物,利用XRD、SEM、TEM对产物进行表征,并探究了其电化学性能,得出了原材料质量比为m(Fe2O3)wt.%=70%,煅烧温度为700℃-4h时的复合材料,其电化学性能为最优。(2)用自制的液态聚丙烯腈形成碳结构,用氧化镍作为过渡金属氧化物,以单宁酸作为表面修饰剂,采用流程简单的共沉淀法,制备质量比为m(NiO)wt.%=60%、70%、80%的镍化合物负极材料,探究三个质量比的复合材料在惰性气体条件下,材料煅烧温度条件为600℃-4h、700℃-4h、800℃-4h下得到的产物,利用XRD、SEM、TEM对产物进行表征,并探究了其电化学性能,得出了原材料质量比为m(NiO)wt.%=70%,在煅烧温度为700℃-4h时,其电化学性能为最优。(3)基于上面(1)和(2)的实验结果,制备了铁镍化合物负极材料,在聚丙烯腈和过渡金属材料总质量比为3:7的基础上,探究氧化铁和氧化镍质量比分别为3:1、5:1、7:1时复合材料的电化学性能。实验探究三个质量比的复合材料在惰性气体条件下,材料煅烧温度条件为600℃-4h、700℃-4h、800℃-4h下得到的产物,并对复合材料进行了XRD、SEM、TEM表征。得出聚丙烯腈碳基材料和过渡金属材料总质量比为3:7,氧化铁和氧化镍的质量比为5:1,煅烧温度为700℃-4h时,复合材料的电化学性能最优。综合研究发现,本文制备了一种原材料便宜、制备工艺简单、产物对环境污染小可用于工业生产的锂电池负极材料。
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