纳米α-氧化铁/改性中间相炭微球复合材料的制备及用作锂离子电池负极的研究

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纳米氧化铁具有超高的比容量值,但在充放电过程中会发生生膨胀、团聚、粉化等行为,从而降低了电池的运行寿命甚至产生安全隐患。本研究采用堆积密度高、循环稳定性好的中间相炭微球(MCMB)作为纳米氧化铁的基体,并通过活化、氧化等手段改善炭球载体对纳米颗粒的负载效果,制备出一种新型的纳米α-氧化铁/改性中间相炭微球(DMCMB)复合材料,并探讨该复合材料作为储能材料的性能与应用前景。N2吸脱附实验及红外光谱分析的结果表明:中间相炭微球经过改性后比表面积从3.12m2·g-1增加到了7.125m2·g-1,表面-OH、-C=O官能团增多。在保留炭微球电化学性能的前提下,改善与铁盐溶液和Fe(OH)3溶胶在基体表面的润湿性,拓展了纳米颗粒沉积的活性位。以Fe Cl3为铁源,采用表面活性剂辅助水热合成目标产物,阳离子型表面活性剂——十六烷基三甲基溴化铵的辅助效果更佳。以Fe(NO33为铁源,通过调节p H值合成目标产物,当p H=10.0时具有相对更好的负载效果。采用Fe(NO33溶液水解得到的Fe(OH)3溶胶作为前驱体产物合成目标产物,在使用到的溶液浓度下,负载效果均明显,但0.007mol·L-1时,SEM照片表明氧化铁沉积量过度。电化学性能检测结果显示使用0.002mol·L-1 Fe(NO33溶液制备的Fe(OH)3溶胶作前驱体时所得产物的首次比容量为1023.8m Ah·g-1,相比于使用0.003mol·L-1的Fe Cl3或Fe(NO33溶液直接制备的产物所对应的821.5m Ah·g-1、838.3m Ah·g-1大,表明此改进工艺(Fe(OH)3溶胶-水热法)能获得更多的氧化铁负载量。最佳工艺为:以铁盐浓度0.001mol·L-1水解的Fe(OH)3溶胶作前驱体,其制备的样品通过恒流充放电检测、循环伏安法、交流阻抗谱检测与等效电路拟合,结果表明复合材料相对改性中间相炭微球基体,比容量值增加了11%,电荷转移阻抗值降低了14%,Li+扩散系数提高52%。
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