高性能氧化铁/多元碳复合锂离子负极材料的制备和其电化学性能研究

【作者】 杜武斌； 蒲凯超； 高明霞； 刘永锋； 潘洪革；

【机构】 浙江大学材料科学与工程学院；

【摘要】 氧化铁具有储锂容量高、储量丰富、成本低、绿色环保等优势,是一种极具应用前景的新型锂离子电池负极材料^[1]。然而氧化铁的电子电导率低,在锂离子嵌脱过程中体积变化大造成材料粉化而失去有效的电接触,这均导致了氧化铁负极材料低的循环稳定性和倍率性能。此外,氧化铁在首次嵌锂过程中生成的Li₂O部分不可逆,导致其具有较高的首次不可逆容量。通过在氧化铁材料中引入高电导率的碳和对氧化铁材料进行纳米化是一种有效提高材料电化学性能的方法^[2]。碳的引入不仅提高了材料的导电性,还对氧化铁在充放电过程中的体积膨胀提供了一定的缓冲作用。纳米氧化铁在脱嵌锂过程中体积变化的应变小,抗粉化能力强,且其脱嵌锂路径短,从而有利于材料电化学性能的改善,但对纳米负极材料还需采取有效措施防止其在循环过程中团聚。本工作通过将纳米氧化铁分散于有机碳源（如柠檬酸和蔗糖）,借助简单的对有机碳源的热解,形成铁氧化物/碳复合材料,纳米氧化铁颗粒分散于碳基体中。该结构有利于材料电子电导率的提高,有利于缓冲氧化铁在脱嵌锂过程中的体积变化,还有效防止了氧化铁在循环过程中的团聚。本工作结合在复合材料中引入高电导率的气相生长碳纤维进一步提高了材料导电性能,使材料的电化学性能再次得到提高。制备的氧化铁/多元碳复合锂离子负极材料在100 mA/g的充放电电流下,其首次可逆容量达950 mA·h/g,经70次循环容量几乎没有衰退,在5000 mA/g的充放电电流下,材料的放电容量高于500 mA·h/g。本工作制备氧化铁/多元碳复合锂离子负极材料的方法简单,获得的材料具有优良的循环性能和倍率性能。更多还原