Fe3O4-石墨烯復合材料的制備及其電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池是目前應用最為廣泛、最有前景的高能蓄電池之一。目前，通用的碳負極材料因其較低的比容量已不能滿足鋰離子電池高能源密度的應用要求，因此，研發新型的高比容量的鋰離子電池負極材料成為了當前鋰離子電池領域的熱點。Fe3O4作為一種重要的過渡金屬氧化物，具有理論比容量高、成本低、環境友好等優點，已開始應用于鋰離子電池負極材料中。然而Fe3O4在充放電過程中存在循環穩定性和倍率性能較差的問題，直接影響了其在鋰離子電池中的應用效果。石墨烯（G

2、N）作為一種新型的二維碳材料，因其具有優異的導電性、高的理論比表面積、良好的機械性能等，開始受到鋰離子電池研究領域的極大關注。本研究為制備出穩定的Fe3O4-GN復合材料，在探索 Fe3O4顆粒制備工藝條件的基礎上，采用靜電吸附與原位生長兩種不同的方式將 Fe3O4與 GN進行復合，并分別對其電化學性能進行測試研究。主要研究結果如下：
　?。?）以 FeCl2·4H2O為鐵源，在水合肼的作用下通過溶劑熱法制備出物相單一的磁性 Fe

3、3O4顆粒，初步研究了合成體系的組分、溶劑、溫度對Fe3O4形貌的影響。結果顯示水合肼在形成純凈的Fe3O4產物起到了關鍵作用，溶劑乙二醇對控制 Fe3O4的成核與生長，得到形貌規則、結晶性好的晶體起到重要作用，180℃下制備的顆粒才具有多孔的結構，聚乙二醇1000能有效地防止顆粒的團聚。SEM與TEM照片表明Fe3O4顆粒為分散均勻的多孔球形顆粒，粒徑約為160 nm。當所制備的Fe3O4作為電極材料使用時，0.1 C（1 C=924

4、 mA·g-1）倍率下首次放、充電比容量分別為1342和991 mAh·g-1，但其倍率性能與循環性能并不理想。
　?。?）以石墨為原料，采用改進的Hummers法制備出氧化石墨烯（GO），再以水合肼為還原劑、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）為表面活性劑制備了表面帶負電的GN，利用靜電吸附作用，與制備的帶正電的Fe3O4相復合，獲得了穩定的Fe3O4-GN復合材料；XRD結果表明復合材料是由立方晶型的Fe3O4和無序排列的GN組成，F

5、T-IR和Raman結果表明 GO被水合肼還原，SEM照片顯示粒徑約為160 nm的Fe3O4球形顆粒均勻地分布在GN片層表面；當所制備的Fe3O4-GN復合材料作為電極材料使用時，0.1 C倍率下首次放、充電比容量分別為1847和1189 mAh·g-1，在高倍率下放、充電比容量維持率也能保持在62.2％、59.5%，并且在1 C倍率下循環50次后其放、充電比容量為首次的67.5%、73.2%，表現出較好的倍率性能和循環性能。

6、　?。?）在制備Fe3O4的工藝基礎上，直接以 GO、FeCl2·4H2O為原料，在水合肼的作用下，通過溶劑熱法一步制備得到了Fe3O4-GN復合材料（Fe3O4的形成、GO的還原以及 Fe3O4在 GN表面的負載是同時完成）；XRD結果表明復合材料是由立方晶型的Fe3O4和無序排列的GN組成，FT-IR和Raman結果表明復合材料中的GO在溶劑熱過程中被水合肼所還原，SEM照片表明粒徑約為160 nm的Fe3O4球形顆粒均勻地分布在G

7、N片層表面；當所制備的Fe3O4-GN復合材料作為電極材料使用時，0.1 C倍率下首次放、充電比容量分別為1912和1450 mAh·g-1，在高倍率下放、充電比容量維持率也能保持在41.9%、31.6%，并且在1 C倍率下循環50次后其放、充電比容量為首次的83.5%、94.7%，表現出較好的倍率性能和循環性能。與第三章制備的Fe3O4-GN電極相比，循環性能較好一些，但倍率性能相對遜色一些，這一方面與 Fe3O4顆粒在 GN表面的負