Fe_3O_4/石墨烯纳米复合材料的制备及在锂离子电池中的应用

【摘要】锂离子电池是目前应用最广泛、最有前景、研究最多的电池之一，而金属氧化物因其低电极电位、高储锂容量的优点被作为锂离子电池负极材料广泛研究。其中，Fe3O4因理论容量高（924mAhg-1），电子电导率高，低成本和环境友好等优点被广泛研究，但其在充放电过程中会发生较大的体积变化，导致电池循环性能较差，所以在锂离子电池的应用上受到了阻碍。而石墨烯因高导热率，高机械性能，良好的电子电导率和大的比表面积被作为锂离子电池材料研究，表现出了大的可逆比容量，但初始库仑效率低，容量衰减快。本论文主要通过制备Fe3O4/石墨烯纳米复合材料来解决上述问题。（1）通过改进的Hummers法制得氧化石墨，采用超声剥落得到氧化石墨烯，利用柠檬酸钠将氧化石墨烯胶液还原为石墨烯。并应用XRD，FT-IR，UV，SEM，TEM观察比较了各个阶段产物的结构和形态。结果显示，石墨被氧化为氧化石墨，柠檬酸钠成功的将氧化石墨还原成石墨烯纳米片，但是层数较厚，还有望进一步改进。接着采用共沉淀法以FeCl3和FeCl24H2O为铁盐，NaOH溶液作为沉淀剂，回流制取了Fe3O4纳米粒子。表征结果表明，成功的制取了Fe3O4纳米粒子，其粒径分布在10nm左右。（2）用共沉淀法在氧化石墨烯胶液中合成了三种不同配比的Fe3O4/石墨烯纳米复合材料，并计算出每种复合材料中的各物质的质量比。接着用XRD，FT-IR，SEM，TEM表征了Fe3O4/石墨烯纳米复合材料，结果表明，在复合材料中，Fe3O4纳米粒子以类球状的形式分散在石墨烯表面，其粒径从几纳米到几十纳米不等。最后将Fe3O4/石墨烯纳米复合材料和纯Fe3O4纳米粒子分别组装成锂离子电池，恒电流充放电测试表明，在电压范围为0.01—3.0V，电流密度为100mAg-1时，Fe3O4纳米粒子，Fe3O4/G1，Fe3O4/G2，Fe3O4/G3的首次充电比容量依次为641.3mAhg-1，623mAhg-1，641mAhg-1，679mAhg-1；20次循环之后，可逆比容量依次为92mAhg-1，243mAhg-1，301mAhg-1，465mAhg-1；库伦效率依次为72.8%，79.9%，79.4%，81.3%。结果表明，Fe3O4/石墨烯纳米复合材料组装成的电池循环性能比纯Fe3O4纳米粒子的更为优异，且Fe3O4/G3（含Fe3O4纳米粒子44%）的可逆性和循环性能最好。交流阻抗测试结果表明，Fe3O4纳米粒子、Fe3O4/G1、Fe3O4/G2、Fe3O4/G3，固体电解质膜（SEI）和电荷转移电阻依次减小，锂离子的扩散程度依次增大，电池的反应动力学越来越好。（3）通过在草酸存在的情况下在氧化石墨烯胶液中用Fe来还原氧化石墨烯，经XRD，FT-IR，SEM表征，既可得到石墨烯纳米片，又可得到Fe3O4/石墨烯-Fe复合材料；在氧化石墨烯胶液中加入FeC2O4H2O，可得到Fe3O4/石墨烯复合材料。（4）将所得Fe3O4/石墨烯-Fe复合材料和Fe3O4/石墨烯复合材料作为工作电极分别组装成锂离子电池，在电压范围为0.01—3.0V，电流密度为100mAg-1时，锂离子电池首次循环时的充电比容量分别为801.7mAhg-1，718.7mAhg-1；库伦效率分别为69.4%，63.3%，20次循环之后，充电比容量分别为398.5mAhg-1，312mAhg-1，可逆容量保持率分别为49.7%，43.4%。交流阻抗结果表明，两者相比，Fe3O4/石墨烯-Fe复合材料的固体电解质膜（SEI）和电荷转移电阻较小，Fe3O4/石墨烯复合材料的锂离子的扩散程度较高。
【作者】王新慧；
【导师】任引哲；
【作者基本信息】山西师范大学，化学，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；Fe3O4/石墨烯纳米复合材料；Fe3O4/石墨烯-Fe；复合材料；

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