【摘 要】
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锂离子电池由于质量轻、自放电小等优点,得到了广泛的应用。但是目前商用的锂离子电池负极石墨的理论比容量比较低,难以满足人们对高能量密度设备的需求。铁基纳米片的特点是拥有高的比容量、较大的比表面积、二维结构可以提供大量的活性储锂位点,且铁资源价格低廉、环境友好,是一种应用前景很大的负极材料。本文以溶剂热法制备的两种不同形貌氧化铁为基础材料,通过氮化调控制备得到不同的氮化铁、碳包覆调控制备不同碳层厚度的
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“三维多孔层状金属氧化物复合体系的可控构筑及其柔性超电容性能”(项目编号:51772072); 合肥工业大学学术新人提升B计划项目“层状氧化物/石墨烯复合材料的构筑及其超电容特性研究”(项目编号:JZ2017HGTB0716); 先进功能材料与器件安徽省重点实验室(编号:1606c08205);
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锂离子电池由于质量轻、自放电小等优点,得到了广泛的应用。但是目前商用的锂离子电池负极石墨的理论比容量比较低,难以满足人们对高能量密度设备的需求。铁基纳米片的特点是拥有高的比容量、较大的比表面积、二维结构可以提供大量的活性储锂位点,且铁资源价格低廉、环境友好,是一种应用前景很大的负极材料。本文以溶剂热法制备的两种不同形貌氧化铁为基础材料,通过氮化调控制备得到不同的氮化铁、碳包覆调控制备不同碳层厚度的Fe3O4@C核壳结构。本文系统的研究其电化学性能,主要研究内容和结果如下:(1)过渡金属氧化物具有高的理论比容量和二维结构有较大活性比表面积,是非常有前景的高能量密度储能器件负极候选材料。通过一步溶剂热法便可得到不同的氧化铁纳米片及其片组装的三维结构。本文中我们合成了不同厚度六边形纳米片、圆盘状纳米片、纳米片组装的花,纳米片组装的棒,并选用其中六边形纳米片和纳米花组装锂离子电池。由于金属氧化物的低电导率和充放电前后存在巨大的体积差,在长循环过程中结构容易发生粉化甚至从电极片脱落,导致其电化学性能恶化。电流密度为0.1 A g-1时比容量约1000 m Ah g-1,当电流密度达到8 A g-1,比容量仅为10 m Ah g-1左右,容量保持率不到1%。(2)为了改善氧化铁低电导率和在充放电前后巨大的体积变化,以制备的氧化铁为前驱体,选用含氮量高的三聚氰胺为氮源,通过与三聚氰胺共同煅烧,成功制备出导电性好和体积变化小的氮化铁。并以此为负极材料组装成锂离子电池,表现出优异的倍率性能。电流密度为0.1 A g-1时比容量约600 m Ah g-1,当电流密度为5 A g-1时,比容量可达到375 m Ah g-1左右,容量保持率达到了63%以上。(3)为了缓冲氧化物的体积膨胀和改善导电性,保持氧化铁高比容量的同时改善循环稳定性。我们以制备的氧化铁为前驱体,分别以葡萄糖(GLC)和乙二醇(EG)为碳源,成功制备出不同壳层厚度的Fe3O4@C纳米复合结构。然后分别在350℃、400℃、450℃下退火,以乙二醇为碳源400℃退火后纳米花Fe3O4@C在电流密度为0.1 A g-1时,比容量大约为920 m Ah g-1,在5 A g-1时为650 m Ah g-1,容量保持率为71%。相同条件下,以葡萄糖为碳源的纳米片Fe3O4@C在电流密度为0.1 A g-1时,比容量分别大约为1150 m Ah g-1,在5 A g-1的电流密度下,比容量900 m Ah g-1,容量保持率72%,表现出优越的大倍率性能。
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