Fe-Ti-O/C复合材料的制备及电化学性能

作     者：黄美云 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：苏静

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锂离子电池 ZIFs FeTiO3 FeTiO3@rGO 

摘      要：钛酸亚铁电极材料因容量高、稳定性好和成本低而成为有前途的电极材料,但导电率低和循环过程中的体积效应导致循环性能和倍率性能差限制了它的实际应用。通过合成多相层状核壳结构的复合材料或将钛酸亚铁与碳材料复合有望解决上述问题。多相层状核壳结构的复合材料不仅可以缩短的锂离子迁移距离,改善反应动力学,而且还可以缓冲循环过程中的体积膨胀的应力,从而延长循环寿命。而钛酸亚铁与碳材料的结合,不仅可以提高材料的导电性,还可以增强结构稳定性。此外,碳材料的引入能够提供更多的锂离子储存活性位点,提高电极的容量。基于上述电极材料改性策略,本文以Fe-ZIF为模板,通过简单的水解-煅烧工艺制备了钛酸亚铁材料,并在此基础上合成多相层状核壳结构的Fe-Ti-O/C复合材料来改善电化学性能。此外,还将纯相钛酸亚铁与石墨烯复合以提高材料的电化学性能。主要研究内容如下:(1)以Fe-ZIF为模板,控制钛酸四丁酯水解并包覆在Fe-ZIF的表面,然后通过热处理制备了一系列多相层状核壳结构的Fe-Ti-O/C纳米复合材料,其主要成分组成为:FeTiO、FeO和Ti O,该材料具有外层为Ti O、内层为FeTiO和FeO的独特分层结构。其中,最佳样品为Fe-Ti-O/C(1.2)复合材料,其在1000 m Ah·g电流密度下经300次循环容量仍接近578m Ah·g,远高于含纯相FeTiO的Fe-Ti-O/C(0.8)样品。这是因为Fe-Ti-O/C(1.2)纳米复合材料具有独特的层状核壳结构,可以缓冲活性材料体积膨胀的应力,从而保持负极材料的结构完整性。此外,Ti O的结构稳定性、FeTiO和FeO的高容量以及碳基体在充放电过程中良好的导电性所产生的协同效应,不仅能够缓解FeTiO和FeO在循环过程中的粉碎和团聚问题,还提供了良好的电极电子接触环境和导电能力。因此,多相Fe-Ti-O/C纳米复合材料用作锂离子电池负极材料,表现出较高的可逆放电比容量、良好的循环稳定性和倍率性能。(2)以GO作为支架,在其表面上原位生长Fe-ZIF,得到了Fe-ZIF/GO前驱体,然后在前驱体通过水解包覆Ti O,并进一步通过热处理制备FeTiO@rGO复合材料。FeTiO@rGO复合材料中钛酸亚铁粒子嵌入石墨烯纳米片中,并聚集为直径5微米左右的聚集体。FeTiO@rGO复合材料作为锂离子电池负极材料在1000 m A·g电流密度下,经300次循环后其放电比容量为529 m Ah·g,高于纯相FeTiO样品。FeTiO@rGO复合材料中钛酸亚铁粒子均匀锚固在石墨烯纳米片上,两者的协同作用一方面可以有效缩短锂离子的传输距离;另一方面可以增加活性物质与电解液的接触面积,提高活性物质的利用率;此外,石墨烯结构的引入可以缓冲活性材料体积膨胀的应力,保持负极材料的结构完整性,使得FeTiO@rGO复合材料具有较高的比容量、良好的循环稳定性和倍率性能。