基于三氧化二铁、硒化铁与石墨烯复合物的储锂性质研究

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1、学校代码10530学号201510121250分类号B34密级硕士学位论文基于三氧化二铁、硒化铁与石墨烯复合物的储锂性质研究学位申请人姜天才指导教师郝国林讲师学院名称物理与光电工程学院学科专业光学工程研究方向纳米材料二零一八年六月六日TheResearchofLithium-IonStoragePropertiesBasedonFerricOxide,IronSelenideandGrapheneCompositesCandidateTiancaiJiangSupervisorDoctorGuolinHaoCollegeSchoolofPhysicsandOptoe

2、lectronicsProgramOpticalEngineeringSpecializationNanoMaterialsDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune6th,2018摘要研究发现，过渡金属氧化物具有优异的电化学性能，大部分过渡金属氧化物理论比容量达到600mAh/g以上，被认为是用作锂离子电池负极的良好候选材料。其中三氧化二铁作为过渡金属氧化物的一种，具有较高的理论比容量（1007mAh/g）、资源丰富以及环境友好等优点，受到人们的广泛关注。然而过渡金属氧化物导电性差，多

3、次循环充放电之后容易粉化等弊端，导致其锂离子电池性能迅速的衰减。大量研究表明石墨烯不仅可以用来提高金属氧化物的导电性，减轻金属氧化物的堆叠，还可以自组装成三维导电网络结构，大幅提高导电性和比表面积并用作柔性电子器件。合成三维石墨烯包裹的纳米级多孔金属氧化物结构是实现高性能柔性锂离子电池的很好途径，但是这种高性能柔性电极的可控合成仍具有一定的挑战。基于此，我们开展了以下几方面的工作：（1）通过过量的金属离子诱导和空间限制的奥斯特瓦尔德熟化策略，以3DG/金属有机框架（MOF）复合材料为前驱体，成功合成了三维石墨烯包裹的多孔Fe2O3（3DG/Fe2O3）复合物气凝胶电

4、极。这种结构有多种优点：首先，整个三氧化二铁颗粒贯穿着微孔和介孔，有效缓解了体积膨胀效应；其次，三维石墨烯可以提供良好的导电网络，能够保证电荷的有效传输，同时避免三氧化二铁颗粒直接受到电解液的冲击，达到缓冲的作用；最后整个电极具有稳固的结构，从而保证电化学测试的顺利进行。3DG/Fe2O3气凝胶直接作为锂离子电池负极不仅表现出良好的机械性能，而且表现出优异的电化学性能，在0.2A/g电流密度下循环130圈之后容量为1129mAh/g，在5A/g的大电流密度下循环1200圈之后容量为523.5mAh/g，循环保持率为98%，是迄今为止报道的基于Fe2O3锂离子负极材料

5、的最佳性能。（2）通过退火处理Se粉与三维石墨烯包裹的普鲁士蓝复合物，成功制备出三维石墨烯包覆碳包裹的硒化铁复合物，碳层可以有效避免电解液与活性物质（硒化铁）的直接接触，缓解体积膨胀效应。所制备的复合物用作锂离子电池负极表现出优异的倍率性能和循环性能:在0.2A/g电流密度下，循环120圈之后放电比容量为884.1mAh/g，在1A/g电流密度下，循环250圈之后放电比容量为815.2mAh/g。我们的研究工作提供了一种通用的合成方法，可以扩展用于合成其它基于三维石墨烯基复合材料和下一代高性能柔性电子器件。关键词：锂离子电池负极；多孔三氧化二铁；硒化铁；三维石墨烯；

6、普鲁士蓝IAbstractPreviousresearchesindicatethattransitionmetaloxidesexhibitexcellentelectrochemicalperformanceandmostofthemhaveatheoreticalcapacitymorethan600mAh/g.Therefore,theyarebelievedtobegoodcandidatesforlithium-ionbatteries.Asoneofthetransitionmetaloxides,ferricoxidehasintriguedmuch

7、attentionduetoitsexcellentproperties,suchashightheoreticalcapacity(1007mAh/g),abundantresources,andenvironmentalfriendliness.Peoplealsofoundthattransitionmetaloxideshavesomefataldrawbacks,suchaspoorelectricalconductivity,whichareeasilytobepulverizedaftermanycyclesofchargeanddischarge