Fe-Ti-O固溶体的制备及其储锂性能的研究

论文摘要

为了满足人类对高性能锂离子二次电池的应用需求,科研工作者通过不断探索来改变锂电池的材料种类和结构以进一步提高其性能。对负极材料而言,提高性能主要体现在提高比容量、倍率性能和循环稳定性。而负极材料的纳米化、结构功能化和掺杂改性,是行之有效的方法。铁的氧化物具有很好的储锂性能,其理论比容量均在650mAh/g以上,尤其是三氧化铁其理论比容量可高达1005mAh/g。但在锂离子嵌入和脱出过程中会引起较大的体积变化,造成材料粉化、结构坍陷,而使循环性能变差。二氧化钛为“零应变”材料,具有很好的循环稳定性,但其比容量较低,理论比容量仅为168mAh/g。为了得到既具有高比容量又具有良好循环稳定性的锂电池负极材料,我们通过水热法及后续热处理制备出Fe-Ti-O固溶体材料。主要考察了Ti/Fe比、热处理条件和导电剂的添加量对固溶体储锂性能的影响。利用XRD、TEM、SEM和EDX测试分析手段研究了不同条件下得到的固溶体材料的形态和结构,考察其电化学性能,并将材料组成、结构与其储锂性能相关联。结果表明,固溶体材料属纳米级,经热处理后均表现出更好的电化学性能,热处理温度越高其电化学性能越好,400℃空气2小时是最佳热处理条件；在固溶体中当Fe3+含量较低时,固溶体的比容量较低,其性质与二氧化钛类似；当固溶体中,Fe3+的含量较高时,固溶体的比容量也较高,其性质与三氧化二铁相似。当Ti4+：Fe3+=0.19时,固溶体Fe1.5Ti0.5O3为多晶体,该固溶体经300度空气热处理2小时后,其首次可逆比容量可达862.3mAh/g,50次循环后其可逆比容量为721.6mAh/g。该固溶体材料具有很好的循环稳定性和较高的比容量,可能成为下一代优越的锂离子电池负极材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.3 锡氧化物
• 1.4 钛氧化物负极材料
• 1.5 过渡金属氧化物
• 1.6 纳米三氧化二铁的制备
• 1.7 复合金属氧化物
• 1.8 复合金属氧化物的制备方法
• 1.8.1 高能球磨法
• 1.8.2 混合溶胶凝胶法
• 1.8.3 水热法
• 1.8.4 溶胶法
• 1.8.5 溶胶凝胶法
• 1.9 本课题的选题依据和主要研究内容
• 1.9.1 论文选题的目的和意义
• 1.9.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 实验与测试分析方法
• 2.1 实验原料及主要仪器设备
• 2.1.1 实验原料及试剂
• 2.1.2 主要实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 纳米二氧化钛的制备
• 2O₃的制备'>2.2.2 纳米α-Fe₂O₃的制备
• 2.2.3 Fe-Ti-O固溶体的制备
• 2.3 固溶体结构的测试与表征
• 2.3.1 透射电子显微镜
• 2.3.2 高分辨透射电子显微镜
• 2.3.3 扫描电子显微镜
• 2.3.4 X射线衍射仪
• 2.4 固溶体的电化学性能的测试
• 2.4.1 模拟电池负极的制备及模拟电池的组装
• 2.4.2 充放电性能测试
• 2.4.3 交流阻抗谱测试
• 2.4.4 循环伏安测试
• 2.4.5 交流阻抗谱图模拟
• 第三章 Fe-Ti-O固溶体的制备及其电化学性能
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 2的形貌及其电化学性能'>3.2.1 纳米YiO₂的形貌及其电化学性能
• 2O₃的形貌及其电化学性能的测试'>3.2.2 纳米α-Fe₂O₃的形貌及其电化学性能的测试
• 4+:Fe³⁺=2.00'>3.2.3 Ti⁴⁺:Fe³⁺=2.00
• 4+:Fe³⁺=1.50'>3.2.4 Ti⁴⁺:Fe³⁺=1.50
• 4+:Fe³⁺=1.04'>3.2.5 Ti⁴⁺:Fe³⁺=1.04
• 4+:Fe³⁺=0.98'>3.2.6 Ti⁴⁺:Fe³⁺=0.98
• 4+:Fe³⁺=0.52'>3.2.7 Ti⁴⁺:Fe³⁺=0.52
• 4+:Fe³⁺=0.31'>3.2.8 Ti⁴⁺:Fe³⁺=0.31
• 4+:Fe³⁺=0.25'>3.2.9 Ti⁴⁺:Fe³⁺=0.25
• 4+:Fe³⁺=0.19'>3.2.10 Ti⁴⁺:Fe³⁺=0.19
• 3.2.11 乙炔黑的添加量对电化学性能的影响
• 3.3 Fe-Ti-O固溶体的测试结果讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 导师和作者简介
• 附录