本文關鍵詞：碳包覆鐵化合物復合納米結構的原位熱解合成及儲鋰性能

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【摘要】：鋰離子電池作為一種綠色無污染的能源存儲設備,受到了人們的廣泛的關注和應用,極大地改善了人們的生產生活方式,促進了了社會的進步與發(fā)展。然而,隨著社會的不斷發(fā)展,人們對鋰離子電池的性能提出了更高的的要求。提升鋰離子電池性能的主要方法就是通過研發(fā)一種新型的電極材料,來實現鋰電池性能的大幅度提升。過渡金屬化合物由于其獨特的儲鋰機理而有希望成為這種新型的電極材料。其中以鐵為過渡金屬元素組成的化合物受到了廣泛的研究,但是由于其電導率低、充放電時體積變化較大,易造成電池循環(huán)穩(wěn)定能差、倍率性能差,從而限制了它們的應用。通過與納米碳材料復合形成一種碳包覆過渡金屬化合物的結構可以極大地改善其缺點,從而實現工業(yè)化應用。本課題的目的是通過一種簡單、方便的方法來合成出碳包覆的納米結構,實現對FeF2和FeS的表面改性,充分利用它們的電化學性能,提升其作為鋰離子電池電極材料時的性能。首先,分別通過二茂鐵與氟化銨以及升華硫的原位熱解反應一步制備出兩種碳包覆復合納米材料,即碳納米管包覆FeF2納米棒(FeF2@CNTs)結構以及"sheet on sheet"型石墨烯負載的石墨烯包覆FeS納米片(FeS@G/G),并通過對比不同反應條件的產物結構,探討并推測了兩種復合結構的生成機理：(1)FeF2@CNTs結構的生成主要是依靠FeF2納米棒與碳管的協同生長機制,即氟化銨中的氟離子與二茂鐵中的鐵反應生成FeF2納米棒,同時,FeF2納米棒催化碳原子在其表面生長,形成納米管結構,形成的納米管結構又會促進納米棒的一維生長,最終形成FeF2@CNTs結構。(2)FeS@G/G結構的生成分為兩步：首先,二茂鐵與硫發(fā)生反應形成無定型炭納米片負載FeS顆粒結構；然后,無定形炭納米片結晶發(fā)育成石墨烯片納米片,而附著于炭納米片FeS顆粒熔并生長成FeS納米片,并催化石墨烯包覆層的生長,最終形成‘'sheet-on-sheet"型石墨烯負載的石墨烯包覆FeS納米片。通過電化學測試分別考察了兩種材料作為鋰電池電極材料時的儲鋰性能,發(fā)現兩種電極材料均表現出了優(yōu)異的儲鋰容量,較好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能：(1)在50mAg-1電流密度下,FeF2@CNTs納米棒的首次可逆容量是263mAhg-1,循環(huán)50次后,容量幾乎沒有衰減,表現出了優(yōu)異的儲鋰容量和循環(huán)穩(wěn)定性。在1Ahg-1時,首次可逆容量是133mAhg-1,50次循環(huán)后,容量保持在93mAhg-',表現出了良好的倍率性能。(2)在50mAg-1電流密度下,FeS@G/G納米片的首次可逆容量可以達到934.7 mAhg-1,循環(huán)80次后容量保持在847.5mAhg-1,平均每次容量衰減率僅為0.23%。而且具有良好的倍率性能：當電流密度是1Ag-1時,首次可逆容量可以達到643.9mAhg-1,80次循環(huán)后可逆容量仍能保持在568.9mAhg-1。
【關鍵詞】：鋰離子電池 二茂鐵 氟化銨 硫 碳納米管 石墨烯 碳包覆 氟化亞鐵 硫化亞鐵 納米棒 納米片
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O646.54;TM912
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 前言16
• 1.2 鋰離子電池的工作原理16-18
• 1.3 過渡金屬化合物的性質和儲鋰機理18-20
• 1.4 鐵基過渡金屬化合物的儲鋰應用20-24
• 1.4.1 納米鐵氧化合物20-23
• 1.4.2 納米鐵氟化合物23
• 1.4.3 納米鐵硫化合物23-24
• 1.5 炭基鐵化合物納米材料24-30
• 1.5.1 炭基納米鐵氧化合物25-27
• 1.5.2 炭基納米鐵氟化合物27-29
• 1.5.3 炭基納米鐵硫化合物29-30
• 1.6 選題的目的和意義30-31
• 1.7 本課題的主要研究內容31-34
• 第二章 實驗與測試方法34-42
• 2.1 研究方案34
• 2.2 主要實驗原料34-36
• 2.2.1 二茂鐵34-35
• 2.2.2 其它實驗原料35
• 2.2.3 電池組裝所用的原料35-36
• 2.3 主要實驗儀器和設備36-37
• 2.3.1 材料制備設備36
• 2.3.2 材料表征設備36-37
• 2.4 實驗方法37-38
• 2.4.1 碳納米管包覆FeF_2納米棒(FeF_2@CNTs)的制備37
• 2.4.2 石墨烯負載石墨烯包覆的FeS納米片(FeS@G/G)的制備37-38
• 2.5 主要分析表征手段38-39
• 2.5.1 掃描電子顯微鏡(SEM)38
• 2.5.2 原子力顯微鏡(AFM)38
• 2.5.3 透射電鏡(TEM)與高分辨透射電鏡(HRTEM)38
• 2.5.4 X射線衍射分析(XRD)38-39
• 2.5.5 熱重掃描熱分析(TG)39
• 2.6 電化學測試39-42
• 2.6.1 電極制備與電池組裝39
• 2.6.2 恒流充放電測試39-40
• 2.6.3 循環(huán)伏安(CV)以及交流阻抗(AC)測試40-42
• 第三章 碳納米管包覆FeF_2納米棒的制備及其儲鋰性能42-56
• 3.1 引言42-43
• 3.2 FeF_2@CNTs納米棒的原位熱解法制備43
• 3.3 FeF_2@CNTs納米棒的形貌和結構43-48
• 3.4 反應溫度對FeF_2@CNTs納米棒結構的影響48-52
• 3.4.1 反應溫度為450℃時產物的結構48-50
• 3.4.2 反應溫度為700℃時產物的結構50-52
• 3.5 FeF_2@CNTs納米棒的形成機制52-53
• 3.6 FeF_2@CNTs納米棒的儲鋰性能53-55
• 3.7 小結55-56
• 第四章 “sheet-on-sheet”型FeS@G/G納米片的原位熱解合成及其儲鋰性能56-82
• 4.1 引言56
• 4.2 FeS@G/G納米片的原位熱解合成56-57
• 4.3 FeS@G/G的形貌和結構57-62
• 4.4 FeS@G/G納米片生長的關鍵影響因素及生成機理62-73
• 4.4.1 反應物配比對產物形貌結構的影響62-63
• 4.4.2 FeS模板對復合結構片層的生長的影響63-65
• 4.4.3 保溫時間對片層結構生長的影響65-67
• 4.4.4 反應溫度對產物形貌結構的影響67-72
• 4.4.5 FeS@G/G納米片的形成機理72-73
• 4.5 FeS@G/G納米片的儲鋰性能73-80
• 4.5.1 電解液對FeS電極儲鋰性能的影響73-74
• 4.5.2 溫度對熱解產物的儲鋰性能的影響74-76
• 4.5.3 FeS@G/G納米片的倍率性能76-77
• 4.5.4 FeS@G/G納米片的儲鋰機理77-79
• 4.5.5 FeS@G/G納米片的交流阻抗79-80
• 4.6 小結80-82
• 第五章 結論82-84
• 參考文獻84-92
• 致謝92-94
• 作者攻讀學位期間發(fā)表的學術論文集及科研成果目錄94-96
• 作者和導師簡介96-98
• 附件98-99

【共引文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

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本文編號：686528