单晶多孔铁氧化物颗粒的可控制备及电化学性能研究

作     者：贺林慧 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈玉喜

授予年度：2010年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：铁氧化物 多孔结构 尺寸可调 锂离子电池 负极材料 倍率性能 

摘      要：铁氧化物具有理论比容量高、价格低廉且环境友好等优点,因而成为极具潜力的高比能量锂离子电池负极材料之一。但铁氧化物存在循环性能差的缺点,原因在于锂离子在铁氧化物的嵌脱过程中会引起体积的巨大变化。为解决以上问题,本文采用水热合成的方法,通过调节前驱体FeCl3溶液的pH值而得到了尺寸连续可调的单晶多孔α-Fe2O3颗粒。综合运用X射线衍射、扫描电子显微术、透射电子显微术、高分辨电子显微术以及N2吸附等方法对单晶多孔α-Fe2O3颗粒的形貌、尺寸、BET比表面积以及微观结构进行了系统研究。当FeCl3溶液的pH值从1.8增加到9.3后,350℃晶化态α-Fe2O3颗粒的尺寸从925.6±98.2nm急剧降低到43.4±5.8nm。平均尺寸925.6nm和平均尺寸43.4nm的α-Fe2O3颗粒的BET比表面积分别为3.97m2g-1和26.04m2g-1。平均尺寸925.6nm的α-Fe2O3颗粒呈现多孔特征,孔洞以中孔和大孔为主;而平均尺寸43.4nm的α-Fe2O3颗粒只存在一定量的微孔。恒流充放电结果表明,平均尺寸为43.4nm的微孔α-Fe2O3颗粒在0.1 C条件下的循环性能优于平均尺寸为***的多孔α-Fe2O3颗粒,首次循环放电容量／第50次循环充电容量分别为1253.7mAh·g-1／835.9mAh·g-1和1055.7mAh·g-1／566.1mAh·g-1。然而,当电流密度提高到0.3C、1C和3C后,平均尺寸为925.6nm的多孔α-Fe2O3颗粒的循环容量和稳定性明显优于平均尺寸为43.4nm的微孔α-Fe2O3颗粒。大小两种颗粒在0.3C、1C和3C条件下第50次循环的充电容量分别为582.7mAh·g-1／437.2mAh·g-1／400mAh·g-1以及413.5mAh·g-1／240.3mAh·g-1／178.5mAh·g-1。 利用制备出的单晶多孔α-Fe2O3颗粒作为母相,通过氢气热还原的方法制备出微米尺寸(1030.3±178.4nm)的多孔Fe3O4颗粒和纳米尺寸(50.4±8.0nm)的实体Fe3O4颗粒。纳米实体Fe3O4颗粒的充放电容量随循环进行而逐渐衰减,50次循环的充电容量减小到353mAh·g-1,容量保持率只有32.6%。而微米尺寸的多孔Fe3O4颗粒则展示出稳定的循环性能,50次循环后充电容量为684.4mAh·g-1,容量保持率达到77.1%。 平均尺寸925.6nm的多孔α-Fe2O3颗粒优良的倍率循环性能以及微米尺寸多孔Fe3O4颗粒高的循环稳定性归因于其特有的单晶多孔结构特点。这些多孔结构的α-Fe2O3颗粒和Fe3O4颗粒是极具潜力的高比能量锂离子电池的备选负极材料。