基本信息
- 項目名稱：
- 鈦基底上氧化鐵納米棒陣列的大規(guī)模制備及其鋰離子電池性能研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本作品設計生長的雜化陣列結(jié)構(gòu)將碳材料和氧化物有序納米棒陣列的優(yōu)點集于一體。既利用了陣列結(jié)構(gòu)電極的電子傳輸快、體積膨脹小、活性材料利用率高等諸多優(yōu)點；又充分發(fā)揮了碳材料導電性好和機械強度高的優(yōu)勢，使電極材料能夠維持其陣列結(jié)構(gòu)的完整性（以增強循環(huán)能力）以及在高電流倍率下的工作性能。
- 詳細介紹：
- 氧化鐵（Fe2O3）不僅環(huán)境友好，易合成，容量高（1007 mAh/g），而且與鋰離子具有完全可逆的氧化還原反應。本文以FeCl3?6H2O和Na2SO4為原料，采用簡單的水熱法，旨在設計氧化鐵（Fe2O3）納米棒陣列作為電池負極材料，并對電池的循環(huán)壽命、快速充放電能力和工作機理進行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，在倍率為0.5C時，（1C定義為每小時放4 mol的Li+，134.2 mA/g），陣列的首次放電容量約為1236 mAh/g，充電容量為840 mAh/g，遠大于商業(yè)上所用的石墨類碳材料負極的理論容量。自10次充放電后，其庫倫效率一直保持在98%以上。我們進一步地將α-Fe2O3納米棒陣列與納米棒粉末相比較時發(fā)現(xiàn)，在50次循環(huán)后，陣列結(jié)構(gòu)材料的放電容量仍有562 mAh/g，不僅比碳材料負極的理論容量高出許多，較先前所報道的α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)電極也有著明顯的優(yōu)勢。然而，粉末電極在50次循環(huán)之后容量只有329 mAh/g，小于石墨類碳材料的理論容量372 mAh/g。由此可見，陣列結(jié)構(gòu)極大提高了電極的性能，這歸因于納米棒陣列優(yōu)異的電子傳輸和良好的應力緩沖能力。本文還通過充放電曲線描述了α-Fe2O3納米棒陣列在高倍率下的首次充放電性能，結(jié)果表明在2C倍率下的可逆容量（459 mAh/g）仍優(yōu)于石墨碳。我們將上述α-Fe2O3陣列進行進一步處理，得到了Fe3O4、碳修飾氧化鐵（C/α-Fe2O3）納米棒陣列，兩者均展現(xiàn)出了優(yōu)越的電化學性能。此結(jié)果表明，負極材料的導電性對于電化學性能的影響也十分重大。本研究為尋找新型的氧化物負極材料提供了科學的實驗依據(jù)。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 氧化鐵（Fe2O3）不僅環(huán)境友好，易合成，容量高（1007 mAh/g），而且與鋰離子具有完全可逆的氧化還原反應。因此，為了提高鋰離子電池的容量和循環(huán)性能，使其能夠滿足高能量密度和高功率密度應用的需要，我們選擇氧化鐵納米材料為研究對象，旨在設計氧化鐵（Fe2O3）納米棒陣列負極用于電池組裝，并對電池的循環(huán)壽命、快速充放電能力和工作機理進行系統(tǒng)研究。
科學性、先進性及獨特之處
- 1、采用有序納米棒陣列結(jié)構(gòu)的金屬氧化物。 2、直接在電極基底上生長有序納米陣列。 3、對純的氧化物納米陣列進行碳(C)修飾。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 實現(xiàn)鋰離子電池長的循環(huán)壽命和大功率充放電性能有望滿足二次電池驅(qū)動大規(guī)模機動車輛的要求（實際應用意義）。同時，在實驗過程中探索雜化有序納米線陣列的充放電機理，分析其反應動力學過程，有助于我們對雜化納米棒陣列負極嵌鋰脫鋰反應本質(zhì)的理解，為更進一步的研究奠定科學的實驗基礎（科學意義）。
學術(shù)論文摘要
- 氧化鐵環(huán)境友好，易合成，容量高（1007mAh/g），與Li+具有完全可逆的氧化還原反應。本文以FeCl3?6H2O和Na2SO4為原料，利用水熱法合成了氧化鐵納米棒陣列作為電池負極材料，并對其電化學性能和工作機理進行研究。結(jié)果表明倍率為0.5C時，陣列的首次充放電容量分別為840、1236mAh/g，遠大于商用碳材料的理論容量。自10次充放電后，其庫倫效率仍在98%以上。我們將α-Fe2O3納米棒陣列與納米棒粉末相比較，發(fā)現(xiàn)在50次循環(huán)后，陣列結(jié)構(gòu)材料的放電容量仍有562mAh/g，比碳材料的理論容量及先前報道的α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)電極均有明顯優(yōu)勢；然而粉末電極僅有329mAh/g。可見，陣列結(jié)構(gòu)極大提高了電極性能，這歸因于其優(yōu)異的電子傳輸和良好的應力緩沖能力。高倍率下的首次充放電性能結(jié)果表明，α-Fe2O3納米棒陣列在2C倍率下的可逆容量（459mAh/g）仍優(yōu)于石墨碳。我們進一步得到的Fe3O4、C/α-Fe2O3納米棒陣列均展現(xiàn)出了優(yōu)越的電化學性能，說明負極材料的導電性對于電化學性能的影響也十分重大。本研究為尋找新型的氧化物負極材料提供了科學的實驗依據(jù)。
獲獎情況
- 論文 “Large-Scale Porous Hematite Nanorod Arrays: Direct Growth on Titanium Foil and Reversible Lithium Storage” 于2010年11月發(fā)表在ACS（美國化學學會）期刊 Journal of Physical Chemistry C（2010, 114, 21158–21164），期刊影響因子：4.224，國際刊號1932-7447
鑒定結(jié)果
- SCI收錄，期刊影響因子：4.224
參考文獻
- 1、Y. Q. Song, S. S. Qin, Y.W. Zhang, W. Q. Gao, J. P. Liu*, Large-Scale Porous Hematite Nanorod Arrays: Direct Growth on Titanium Foil and Reversible Lithium Storage, Journal of Physical Chemistry C, 2010, 114, 21158–21164. 2、中國科學院武漢科技查新咨詢檢索中心SCI論文檢索報告 3、Liu, H.; Wang, G. X.; Wang, J. Z.; Wexler, D. Electrochem.Commun. 2008, 10, 1879. 4、LaTempa, T. J.; Feng, X. J.; Paulose, M.; Grimes, C. A. J. Phys.Chem. C 2009, 113, 16293. 5、Liu, H.; Wexler, D.; Wang, G. X. J. Alloys Compd. 2009, 487,L24. 6、Zeng, S. Y.; Tang, K. B.; Li, T. W.; Liang, Z. H. J. Phys. Chem.C 2010, 114, 274.
同類課題研究水平概述
- 鋰離子電池作為一類新型的能量儲存設備，具有比容量大、循環(huán)壽命長、污染小等特點，并廣泛應用于各種便攜式電子設備。目前市場上的小功率電子產(chǎn)品普遍采用碳材料作為鋰離子電池的負極，其理論容量僅為372mAh/g。如今，一些有發(fā)展前途的工業(yè)產(chǎn)品對電池的能量和功率參數(shù)提出了更高的要求，從而促使人們致力于尋找能替代碳的新型負極材料。氧化鐵不僅環(huán)境友好，易合成，容量高（1007 mA h/g），而且與鋰離子具有完全可逆的氧化還原反應，被人們廣泛研究。Fe2O3材料的儲鋰機制為Fe2O3 + 6Li+ ←→ 3Li2O + 2Fe3+。這一完全可逆的氧化還原反應確保了α-Fe2O3材料擁有優(yōu)越的庫倫效率和高的可逆容量。體相氧化物電極材料往往在動力學上存在劣勢，即使在較低的倍率下，循環(huán)過程中仍有嚴重的容量損失。相反，納米材料擁有顯著的電化學性能，由于其具有大的比表面積和小尺寸效應，使其展現(xiàn)出更好的儲鋰能力。盡管如此，進一步提高電池的循環(huán)性能和比容量仍是非常具有挑戰(zhàn)性的工作。先前的文獻表明，一維納米材料以其獨特的幾何結(jié)構(gòu)可被廣泛應用于光學、電子學以及光電子器件。相比于傳統(tǒng)的體相材料和納米顆粒，一維納米結(jié)構(gòu)有著大的長徑比，從而有利于緩沖由于反復充放電過程中材料體積變化而引起的機械應力。更重要的是，在集流體基底上直接生長一維納米結(jié)構(gòu)陣列，能夠提供大量的傳導通道直接傳輸電子。我們先前研究了ZnO納米線、SnO2納米棒、CoO納米線和Fe2O3納米管這些一維結(jié)構(gòu)陣列材料，結(jié)果證明采用一維納米陣列結(jié)構(gòu)材料作為電極具有很好的應用前景。由此可見，為了提高電池的工作能力，以一維的α-Fe2O3納米陣列材料作為負極是一項可行的措施。先前人們合成了一些一維α-Fe2O3納米材料，但是需要80%的活性氧化物材料、10%的碳黑以及10%的粘接劑（有機物）混合后將其涂覆在金屬基底上才可制成電極，由此一來，作為粘結(jié)劑的有機物不導電，從而不利于電子的輸送。據(jù)我們所知，目前直接生長α-Fe2O3一維納米陣列的報道很少，也未見在電極基底上直接生長α-Fe2O3納米棒、線陣列用于鋰離子電池的負極材料的研究。因此，采用一種簡單可行的方法，不用任何粘結(jié)或添加劑直接在電極基底上合成α-Fe2O3納米棒、線陣列是非常具有挑戰(zhàn)性的。實現(xiàn)這一目標將有利于我們更加深入地理解過渡金屬氧化物有序納米棒、線材料用于鋰離子電池的電化學優(yōu)勢。
