碳包覆铁化合物复合纳米结构的原位热解合成及其储锂性能

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锂离子电池作为一种绿色无污染的能源存储设备,受到了人们的广泛的关注和应用,极大地改善了人们的生产生活方式,促进了了社会的进步与发展。然而,随着社会的不断发展,人们对锂离子电池的性能提出了更高的的要求。提升锂离子电池性能的主要方法就是通过研发一种新型的电极材料,来实现锂电池性能的大幅度提升。过渡金属化合物由于其独特的储锂机理而有希望成为这种新型的电极材料。其中以铁为过渡金属元素组成的化合物受到了广泛的研究,但是由于其电导率低、充放电时体积变化较大,易造成电池循环稳定能差、倍率性能差,从而限制了它们的应用。通过与纳米碳材料复合形成一种碳包覆过渡金属化合物的结构可以极大地改善其缺点,从而实现工业化应用。  本课题的目的是通过一种简单、方便的方法来合成出碳包覆的纳米结构,实现对FeF2和FeS的表面改性,充分利用它们的电化学性能,提升其作为锂离子电池电极材料时的性能。  首先,分别通过二茂铁与氟化铵以及升华硫的原位热解反应一步制备出两种碳包覆复合纳米材料,即碳纳米管包覆FeF2纳米棒(FeF2@CNTs)结构以及“sheet on sheet”型石墨烯负载的石墨烯包覆FeS纳米片(FeS@G/G),并通过对比不同反应条件的产物结构,探讨并推测了两种复合结构的生成机理:(1) FeF2@CNTs结构的生成主要是依靠FeF2纳米棒与碳管的协同生长机制,即氟化铵中的氟离子与二茂铁中的铁反应生成FeF2纳米棒,同时,FeF2纳米棒催化碳原子在其表面生长,形成纳米管结构,形成的纳米管结构又会促进纳米棒的一维生长,最终形成FeF2@CNTs结构。(2)FeS@G/G结构的生成分为两步:首先,二茂铁与硫发生反应形成无定型炭纳米片负载FeS颗粒结构;然后,无定形炭纳米片结晶发育成石墨烯片纳米片,而附着子炭纳米片FeS颗粒熔并生长成FeS纳米片,并催化石墨烯包覆层的生长,最终形成“sheet-on-sheet”型石墨烯负载的石墨烯包覆FeS纳米片。  通过电化学测试分别考察了两种材料作为锂电池电极材料时的储锂性能,发现两种电极材料均表现出了优异的储锂容量,较好的循环稳定性和倍率性能:  (1)在50mAg-1电流密度下,FeF2@CNTs纳米棒的首次可逆容量是263mAhg-1,循环50次后,容量几乎没有衰减,表现出了优异的储锂容量和循环稳定性。在1Ahg-1时,首次可逆容量是133mAhg-1,50次循环后,容量保持在93mAhg-1,表现出了良好的倍率性能。  (2)在50mAg-1电流密度下,FeS@G/G纳米片的首次可逆容量可以达到934.7 mAhg-1,循环80次后容量保持在847.5mAhg-1,平均每次容量衰减率仅为0.23%。而且具有良好的倍率性能:当电流密度是1Ag-1时,首次可逆容量可以达到643.9mAhg-1,80次循环后可逆容量仍能保持在568.9mAhg-1。
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