碳包覆四氧化三铁及钒酸铁复合纳米材料的制备及储锂性能研究

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1、分类号：TQ138.1学号：201500361002硕士学位论文碳包覆四氧化三铁及钒酸铁复合纳米材料的制备及储锂性能研究SynthesisofcarboncoatedFe3O4andironvanadatesnanocompositesandtheirelectrochemicalperformancesforlithiumionbatteries研究生姓名：刘言周指导教师：姜付义教授周艳丽讲师学科门类：工学专业名称：材料学论文提交日期：2018年5月28日烟台大学硕士学位论文摘要近年来，随着科技的不断发展和社会

2、的不断进步，能源问题逐渐成为人们日益关注的问题。锂离子电池作为一种新型的便携式储能设备，由于其突出的电化学性能，已在电动汽车、便携式电子产品等多个领域得到应用。目前已经实现广泛商业化应用的石墨负极材料比容量较低（372mAhg-1），安全性较差，无法满足日益增长的能源需求。而过渡金属氧化物作为负极材料由于具有比容量高、资源丰富等优势，受到了科学家的广泛关注。但过渡金属氧化物在充放电过程中存在巨大的体积变化，严重影响电池的循环性能，且导电率较低，因此尚未投入大规模应用。本文以氧化铁和钒酸铁两种过渡金属氧化物为主要研

3、究对象，使用溶剂热法，通过调整材料的微观纳米结构，并采用原位聚合法使之与多巴胺进行复合，煅烧后得到碳修饰的氧化铁及钒酸铁的复合材料，将其作为负极材料，对其储锂性能进行了系统的研究。本文主要内容如下：(1)采用微波辅助溶剂热法，制备Fe3O4纳米团簇，以多巴胺作为碳源，采用原位聚合法对Fe3O4团簇进行包覆，通过后续煅烧得到氮掺杂碳包覆的Fe3O4纳米团簇（Fe3O4@NC）。通过调整多巴胺的用量和煅烧温度，制备出一系列不同碳层厚度和结晶性的复合材料，并对其物相和微观形貌等进行了测试与分析。结果显示，Fe3O4纳米

4、团簇由许多细小的纳米晶组成，平均粒径约为50nm，其表面形成的碳层实现了氮掺杂碳包覆Fe3O4纳米团簇的合成。本文将所制备的材料组装成锂离子电池，对其电化学性能进行测试。其中，加入0.08g多巴胺和煅烧温度为500℃的样品展现出了超长的循环寿命和良好的倍率性能，在2Ag-1的电流密度下循环2000次，其可逆比容量能够维持在445mAhg-1。这一结果表明，具有分级结构的Fe3O4@NC复合材料作为锂离子电池负极材料展现出了良好的储锂性能。(2)采用溶剂热法以及煅烧处理法制备了碳包覆新型尖晶石结构的Fe1.5V1.

5、5O4纳米棒。首先，采用溶剂热法制备前驱体，并通过调整温度、时间、Fe与V的比例等条件，探讨了不同合成条件对前驱体物相和微观形貌的影响。通过不同方法的处理，我们获得不同的Fe1.5V1.5O4初级粒子组成的具有分级结构的Fe1.5V1.5O4@NC纳I烟台大学硕士学位论文米棒。将获得的的Fe1.5V1.5O4@NC纳米棒用作负极材料，组装成锂离子电池，进行电化学测试。其中由平均粒径20nm的纳米颗粒组成的分级Fe1.5V1.5O4@NC纳米棒展现出了更高的可逆比容量，更好的循环性能和倍率性能。即使在0.5Ag-1

6、和2Ag-1电流密度下循环100圈和1000圈后，其可逆比容量依然可以分别维持在753mAhg-1和709mAhg-1。碳包覆Fe1.5V1.5O4纳米棒能够获得优异的储锂性能主要取决于其尖晶石晶体结构，独特的分级结构，以及复合材料中活性材料与碳层间的协同作用。CV曲线测试结果表明，循环中的总容量归因于表面控制的电容行为和扩散控制的锂离子插层过程。关键词：四氧化三铁；钒铁尖晶石；复合材料；碳包覆；锂离子电池II烟台大学硕士学位论文AbstractRecently,withthecontinuousdevelopm

7、entofscienceandtechnologyaswellassocialprogress,theenergyproblemhasgraduallygainedgreatattentionbyscientists.Asanewtypeofportableenergystoragedevice,lithium-ionbatteries(LIBs)havebeenappliedinmanyfieldssuchaselectricvehiclesandportableelectronicproductsbecaus

8、eofitsoutstandingelectrochemicalperformance.Thecommercialgraphiteanodeshavelowerspecificcapacity(372mAhg-1)andpoorsafetyproblems,limitingtheirapplications.Transitionmetaloxidesasanodemate