氧化铁及其复合氧化物分级微纳结构的可控制备及储锂性能研究

To solve the energy problem, it is important to develop next generation anode materials with good performances, replace widely used graphite and increase the specific capacity, energy density and safety of LIBs. In this project, the iron oxide and its composite oxide with large abundance are studied. By changing the composition of reaction system and other experimental parameters, iron oxide and its composite oxide with controllable size , morphology and porosity will be prepared via the facile microwave assisted solvothermal method. Different carbon materials will be adopted to modify the iron oxide and its composite oxide micro-nano structure, suppress the pulverization induced by the volume changes and the side reactions during cycling. As anode materials, the electrochemical performance will be tested, and the effects of primary particle size and morphology, porosity and size of the hierarchical micro/nano architecture, composition of composite oxide, as well as different surface modification layers on the lithium storage performances will be investigated . On the basis of electrochemical results and theoretical calculation, the lithium storage mechanism of iron oxide and its composite oxide will be studied. The synergistic effect between metal ions will also be indicated to find the suitable combination of metal oxide, and optimize the electrochemical performance of iron oxide. The iron oxide based anode materials of LIBs with excellent electrochemical performances will be obtained

开发新一代高性能负极材料，取代目前使用的石墨类材料，提高锂离子电池的比容量、能量密度和安全性，对于解决能源问题具有重要意义。本项目以资源丰富的氧化铁及其复合氧化物作为研究对象，采用微波溶剂热法，通过改变反应体系的组成、制备的工艺条件，制备出尺寸、形貌和孔隙率可控的具有分级微纳结构的氧化铁及其复合氧化物。采用不同的碳材料对其进行表面修饰，抑制氧化物在充放电过程中副反应的发生及体积变化引起的粉化、坍塌。将其作为锂离子电池的负极材料，进行电化学性能测试，研究初级结构单元的尺寸和形貌、分级微纳结构的孔隙率和尺寸、复合氧化物的组成、表面修饰等因素对电化学性能的影响。结合实验结果和理论计算，研究氧化铁及其复合氧化物分级微纳结构的储锂机理，揭示不同金属离子之间的协同作用，寻找合适的氧化物组合，优化氧化铁的电化学性能，制备出基于氧化铁的高性能锂离子电池负极材料。

开发新一代高性能负极材料，取代目前商业化的石墨，提高锂离子电池的比容量、能量密度和安全性，对于解决能源问题具有重要意义。本项目以资源丰富、高容量的氧化铁以及钒酸铁、铁酸锌等复合氧化物作为主要活性材料，采用溶剂热法，结合热处理工艺，通过改变反应体系的组成、制备的工艺条件，制备出了一系列尺寸、形貌和孔隙率可控的具有分级微纳结构的氧化铁及其复合氧化物材料。采用无定形碳、球形石墨等碳材料以及二氧化钛对其进行表面修饰，制备出了多种复合电极材料。并将上述制备的电极材料作为锂离子电池负极材料，组装半电池，测试其储锂性能，研究了初级结构单元的尺寸和形貌、分级微纳结构的孔隙率和尺寸、复合氧化物的组成、表面修饰层等因素对电化学性能的影响。结果表明，初级单元的尺寸越小，赝电容行为越明显，比容量越高。多孔分级结构能够缓冲体积变化，维持结构稳定，加快锂离子扩散动力学。表面修饰碳层能够有效抑制氧化物在充放电过程中副反应的发生及体积变化引起的粉化、坍塌，同时提高了整个复合材料的电子电导率，因此有效解决了氧化铁及其复合氧化物材料的容量衰减和倍率性能差的问题。相比导电碳修饰层，二氧化钛修饰层也能够抑制内部活性材料的体积变化，但由于其电导率较差，该修饰层对活性材料的性能提升并不显著。此外，通过性能对比发现，由于不同金属离子之间的协同作用，复合氧化物（如钒酸铁）相比氧化铁的储锂性能更为优异，其中氮掺杂碳修饰的分级多孔结构钒酸铁在2 A g-1的高倍率下，实现了最高的可逆容量（大于800 mAh g-1）以及优异的长周期循环寿命（1000圈）。