【摘 要】
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随着全球经济的快速发展、化石燃料的快速消耗以及对环境的日益关注,迫切需要高效,清洁和可持续的能源。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、无记忆效应和对环境友好的优点。锂离子电池的性能在很大程度上取决于电极材料的性能,已经进行了许多尝试来开发高性能的锂离子电池电极材料。如基于Fe2O3的锂离子电池负极材料由于其高的理论比电容,低成本和无毒性,被认为是很有发展的储能材料。但是,低电导率和体积膨胀带来循环性
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随着全球经济的快速发展、化石燃料的快速消耗以及对环境的日益关注,迫切需要高效,清洁和可持续的能源。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、无记忆效应和对环境友好的优点。锂离子电池的性能在很大程度上取决于电极材料的性能,已经进行了许多尝试来开发高性能的锂离子电池电极材料。如基于Fe2O3的锂离子电池负极材料由于其高的理论比电容,低成本和无毒性,被认为是很有发展的储能材料。但是,低电导率和体积膨胀带来循环性能下降是阻碍它们进一步发展的两个主要问题。因此,针对以上问题,本文对Fe2O3材料进行包覆、掺杂和淬火的方式,来提高材料的电化学性能。研究内容如下:1.以NH4HF2与LiOH为原料,通过中和沉淀法制备了一系列不同LiF包覆量的Fe2O3材料。通过循环测试,筛选出15%的包覆量材料作为进一步研究对象。通过SEM、TEM、BET和XPS等一系列物理表征样品的物相及结构。由于包覆有效的缓解了Fe2O3在充放电过程中的体积膨胀,所以在相同电化学性能测试条件下,材料比未包覆的Fe2O3表现出更优的电化学性能。研究结果显示:LiF@Fe2O3材料作为锂离子电池负极,在1.0 A g-1电流密度下的初始放电比容量为1209 m Ah g-1,在前80次循环中,逐渐衰退到540 m Ah g-1。200圈后放电比容量回升至950 m Ah g-1左右,并且保持平稳。循环500次后,在5.0 A g-1电流密度下还能达到304 m Ah g-1。2.通过简单的溶剂热法,一步合成了F-Fe2O3材料。通过XRD与XPS测试分析得出F掺杂导致Fe2O3材料产生O空位。与没有掺杂的Fe2O3相比,F-Fe2O3的电化学性能得到提高。在1.0 A g-1下,初始放电比容量为1257 m Ah g-1,前30次衰减较快,当循环300次后容量回升能达到1032 m Ah g-1,与首次放电比容量相比容量保持率高达82%。F-Fe2O3材料容量的提高应主要归因于F-取代了部分的O2-,从而产生带有一个单位负电荷缺陷,促使F-Fe2O3材料的导电率得到增强,促进电极反应动力学,提高了电化学性能。3.通过淬火技术,将前一章制备的F-Fe2O3材料经过两步实验过程制备淬火F-Fe2O3材料。通过XRD、XPS、SEM、TEM和BET等物理分析后得出经过淬火F-Fe2O3材料晶面发生收缩,粒径变小,材料表面变得圆且光滑。另外经过电化学性能测试,发现冷淬之后的电化学性能得以进一步提升。在1.0 A g-1下,初始放电比容量为1353 m Ah g-1,当循环500次以后还能提供1008 m Ah g-1,容量保持率高达74%。在0.1、0.2、0.5、1.0、2.0和5.0 A g-1时,放电比容量为1467、1388、1208、1034、805 m Ah g-1、533 m Ah g-1。当电流密度恢复到0.1 A g-1时,还能迅速达到了1536 m Ah g-1的放电比容量,表现了优异的电化学性能。这得益于淬火技术不仅使得材料表面化学活性位点增多,粒径降低,还能缓解F-Fe2O3材料电化学过程中的体积效应。
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