铁基氧化物-石墨烯纳米复合材料的制备及其储锂性能研究

《铁基氧化物-石墨烯纳米复合材料的制备及其储锂性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、铁基氧化物/石墨烯纳米复合材料的制备及其储锂性能研究SynthesisandLithium-StoragePerformanceofFe-basedOxides/GrapheneNanocomposites一级学科：材料科学与工程学科专业：材料学作者姓名：杨志伟指导教师：万怡灶教授天津大学材料科学与工程学院二零一七年五月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含

2、为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年

3、月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要锂离子电池广泛应用于移动消费电子产品、电动汽车和混合动力车以及可-1再生新能源等领域。然而，商业化石墨负极的理论比容量仅为372mAhg，远不能满足市场的需求，迫切需要开发高容量和长循环寿命的负极材料。基于转化反应机理的铁基氧化物负极具有理论比容量高、成本低廉以及环境友好的特点，展示出良好的应用前景。本论文以铁基氧化物/石墨烯纳米复合材料为研究对象，通过复合结构的合理设计和铁基氧化物的成分调控等改善铁基氧化物的储锂性能。（1）通过自组装过程构建出石墨烯包裹介孔Fe2

4、O3纳米颗粒的新颖结构。制备过程引入氧化石墨烯使铁氧化物由形貌和尺寸不均匀的Fe3O4转变为形貌和尺寸高度均匀的介孔Fe2O3。石墨烯的包裹抑制了Fe2O3纳米颗粒的团聚并且缓冲了循环过程中的体积变化；Fe2O3纳米颗粒的介孔结构缩短锂离子扩散和电子传输的距离，增大电极与电解液的接触面积，其介孔空间也起到缓冲体积变化的作用。受益于这种合理的结构特征，Fe2O3/石墨烯纳米复合材料显示出优-1异的电化学性能，1000mAg电流密度下500次循环后的可逆容量高达1098-1mAhg，展现出诱人的应用前景。（2

5、）直接热处理氧化石墨烯-Fe前驱体成功制备出Fe3O4/石墨烯纳米复合材料，调节热处理温度可控制Fe3O4的形貌和尺寸。负载小尺寸Fe3O4的样品具-1有较好的可逆容量和循环稳定性，100mAg电流密度下循环100次后可逆容-1量高达1060mAhg，归因于与石墨烯复合的小尺寸Fe3O4纳米颗粒提供更多的储锂位点，缩短锂离子扩散和电子的传输路径，更好地缓冲循环过程中的体积变化。2+（3）以N2H4·H2O辅助水热策略解决了Mn在碱性水溶液下的易氧化问题，为水热制备MnFe2O4/石墨烯纳米复合材料提供了可

6、行的方案。尺寸为5-30nm的MnFe2O4纳米颗粒均匀负载于石墨烯上，MnFe2O4/石墨烯电极呈现出优-1异的可逆容量和循环稳定性，1000mAg电流密度下210次循环后的可逆容量-1仍可达773mAhg。（4）以一步水热法制备出CoFe2O4纳米立方体/石墨烯纳米复合材料，CoFe2O4的纳米立方体形貌是GO和N2H4·H2O联合调控的结果。CoFe2O4纳米立方体和石墨烯形成紧密的界面结合，促进CoFe2O4纳米立方体的分散以及锂离子和电子的界面传输，提高了电极的结构稳定性和电化学反应动力学，10

7、00-1-1mAg电流密度下200次循环后可维持835mAhg的可逆容量。I万方数据（5）通过Zn掺杂制备出Zn0.25Co0.75Fe2O4纳米立方体/石墨烯纳米复合材料。Zn0.25Co0.75Fe2O4完全继承了CoFe2O4的纳米立方体形貌，同时Zn掺杂进-1一步提高电极中锂离子和电子的传输，获得了更好的电化学性能，1000mAg-1电流密度下200次循环后的可逆容量仍可维持在1029mAhg。关键词：石墨烯，铁基氧化物，纳米复合材料，锂离子电池，负极材料II万方数据ABSTRACTLithium

8、-ionbatterieshavebeenwidelyappliedinportableconsumerelectronics,electricvehiclesandhybridvehicles,renewableenergyandsoon.However,thecurrentcommercialgraphiteanodesuffersfromalowtheoreticalcapacity(372mAh-1g),whichis