發(fā)布時(shí)間：2018-09-09 13:18

【摘要】：近年來,環(huán)保問題如能源危機(jī)、環(huán)境惡化等由于其危害引起了廣泛關(guān)注。相比于其他電池,鋰離子電池由于優(yōu)異的電化學(xué)性能以及綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是解決傳統(tǒng)化石燃料短缺的有效途徑。然而電動(dòng)汽車和新型儲(chǔ)能電站的發(fā)展對鋰離子電池的性能提出了更高的要求,負(fù)極材料作為決定電池性能的主要部分,是研究人員的研究重點(diǎn)。由于過渡金屬氧化物較高的理論比容量和靜電紡纖維的高比表面、高孔隙率等的特點(diǎn),將它們應(yīng)用在鋰離子電池的負(fù)極材料領(lǐng)域會(huì)有很好的前景�；谶@一思路,本論文通過納米化、碳材料復(fù)合或?qū)щ姼呔畚飶?fù)合等手段制備得到鐵酸鋅納米纖維(ZnFe_2O_4)、鐵酸鋅/石墨烯復(fù)合納米纖維(ZnFe_2O_4/G)和鐵酸鋅/聚苯胺復(fù)合納米纖維(ZnFe_2O_4/PANI)材料。其中ZnFe_2O_4納米纖維作為主要儲(chǔ)鋰主體,文中研究了ZnFe_2O_4纖維的改性方法,分析了改性后的復(fù)合納米纖維作為負(fù)極材料的電化學(xué)性能,并通過比較復(fù)合前后電化學(xué)性能差異得出性能改善原因。研究內(nèi)容包括:(1)結(jié)合靜電紡絲和高溫煅燒的方法,首先利用靜電紡絲法制得PAN/PVP/Zn(CH_3COO)2/Fe(NO_3)_3前驅(qū)體復(fù)合納米纖維氈,然后分別在600 ℃和800 ℃條件下制得了ZnFe_2O_4納米纖維。由XRD的表征圖可知,相較于600 ℃,800 ℃條件溫度下制得的ZnFe_2O_4納米纖維具有更高的結(jié)晶度,SEM圖像顯示ZnFe_2O_4納米纖維擁有粗糙的表面,由無數(shù)納米顆粒構(gòu)成,取向度良好,且粗細(xì)均勻,平均直徑為150 nm左右。隨后利用BET、TG、FTIR以及電化學(xué)性能測試等對所得納米纖維樣品進(jìn)行了分析表征,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,首次循環(huán)時(shí)ZnFe_2O_4納米纖維具有較高的放電容量(1278mAh/g),循環(huán)50周之后仍保持550 mAh/g的容量。表明納米化后的纖維具有較大比表面積和豐富孔隙,有利于鋰離子嵌入/脫出,增強(qiáng)儲(chǔ)鋰性能,提高了材料的電化學(xué)性能。(2)為了進(jìn)一步提高ZnFe_2O_4納米纖維的性能,結(jié)合靜電紡絲技術(shù)和水熱還原法,通過添加氧化石墨烯制成ZnFe_2O_4/G復(fù)合納米纖維。石墨烯擁有柔軟的片層結(jié)構(gòu),包覆在納米纖維表面后,能阻擋電極和電解液直接接觸的同時(shí),還能有效緩解充放電過程中金屬氧化物的團(tuán)聚,保持復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。石墨烯良好的導(dǎo)電性也彌補(bǔ)了ZnFe_2O_4的性能缺陷,兩種材料結(jié)合后能發(fā)揮很好的協(xié)同作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在300 mA/g下循環(huán)100周后容量穩(wěn)定保持在900 mAh/g左右,當(dāng)電流密度高達(dá)5000 mA/g時(shí),可逆容量仍達(dá)711 mAh/g,顯示良好的倍率性能。(3)結(jié)合靜電紡絲和原位聚合法,制備了包覆不同質(zhì)量比例苯胺的ZnFe_2O_4/PANI復(fù)合納米纖維。電化學(xué)測試結(jié)果表明,PANI含量為15%時(shí),電化學(xué)性能最佳,首次循環(huán)時(shí)放電容量達(dá)到1467.7 mAh/g,循環(huán)50周之后,仍能保持在1180 mAh/g,當(dāng)電流密度提升到2000 mA/g時(shí),可逆容量可達(dá)738 mAh/g,倍率性能優(yōu)良。PANI的添加增加了材料的導(dǎo)電性,特殊的包覆結(jié)構(gòu)為電化學(xué)反應(yīng)時(shí)提供更多的活性位點(diǎn),也為ZnFe_2O_4納米纖維在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的體積膨脹壓力提供了緩沖屏障。
[Abstract]:In recent years, environmental problems such as energy crisis and environmental deterioration have attracted much attention due to their harmfulness. Compared with other batteries, lithium-ion batteries are considered to be an effective way to solve the shortage of traditional fossil fuels due to their excellent electrochemical performance and green pollution-free. However, the development of electric vehicles and new energy storage power plants has brought lithium into the market. Because of the high theoretical specific capacity of transition metal oxides and the high specific surface area and high porosity of electrospun fibers, the application of transition metal oxides in the field of anode materials for lithium-ion batteries will be possible. Based on this idea, zinc ferrite nanofibers (ZnFe_2O_4), zinc ferrite/graphene composite nanofibers (ZnFe_2O_4/G) and zinc ferrite/polyaniline composite nanofibers (ZnFe_2O_4/PANI) were prepared by nanocrystallization, carbon composite or conductive polymer composite. In this paper, the modification methods of ZnFe_2O_4 fiber were studied, and the electrochemical properties of the modified composite nanofibers as anode materials were analyzed. The reasons for the improvement were obtained by comparing the electrochemical properties before and after the modification. PAN/PVP/Zn(CH_3COO)2/Fe(NO_3)_3 precursor composite nanofiber felt was prepared by spinning method. ZnFe_2O_4 nanofibers were prepared at 600 C and 800 C, respectively. The XRD characterization showed that ZnFe_2O_4 nanofibers had higher crystallinity than those prepared at 600 C and 800 C. SEM images showed that ZnFe_2O_4 nanofibers had higher crystallinity than those prepared at 800 C. The nanofibers were characterized by BET, TG, FTIR and electrochemical properties. The results showed that ZnFe_2O_4 nanofibers had high discharge capacitance at the first cycle. The results show that the nanofibers have large specific surface area and rich porosity, which is beneficial to lithium ion intercalation / detachment, lithium storage and electrochemical properties of the materials. (2) In order to further improve the properties of ZnFe_2O_4 nanofibers, electrospinning technology and water are combined. ZnFe_2O_4/G composite nanofibers were prepared by thermal reduction method with graphene oxide. Graphene has a soft lamellar structure. Graphene coated on the surface of nanofibers can block the direct contact between electrodes and electrolyte, at the same time, it can effectively alleviate the agglomeration of metal oxides during charging and discharging and maintain the structural stability of the composite fibers. The experimental results show that the capacity of ZnFe_2O_4 can be maintained at about 900 mAh/g after 100 weeks of cycling at 300 mA/g. When the current density is as high as 5000 mA/g, the reversible capacity still reaches 711 mAh/g, showing good rate performance. ZnFe_2O_4/PANI composite nanofibers coated with different mass ratios of aniline were prepared by spinning and in-situ polymerization. The electrochemical test results showed that the electrochemical properties of the composite nanofibers were the best when the content of PANI was 15%. The discharge capacity reached 1467.7 mAh/g at the first cycle and remained at 1180 mAh/g after 50 weeks of cycling. When the current density increased to 2000 mA/g, The reversible capacity can reach 738 mAh/g, and the rate performance is excellent. The addition of PANI increases the conductivity of the material. The special coating structure provides more active sites for the chemical reaction, and provides a buffer barrier for the volume expansion pressure of ZnFe_2O_4 nanofibers.
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ340.64

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本文編號：2232494