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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
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(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本作品設(shè)計(jì)生長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)；又充分發(fā)揮了碳材料導(dǎo)電性好和機(jī)械強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，使電極材料能夠維持其陣列結(jié)構(gòu)的完整性（以增強(qiáng)循環(huán)能力）以及在高電流倍率下的工作性能。
詳細(xì)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(yīng)。本文以FeCl3?6H2O和Na2SO4為原料，采用簡(jiǎn)單的水熱法，旨在設(shè)計(jì)氧化鐵（Fe2O3）納米棒陣列作為電池負(fù)極材料，并對(duì)電池的循環(huán)壽命、快速充放電能力和工作機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，在倍率為0.5C時(shí)，（1C定義為每小時(shí)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(yuǎn)大于商業(yè)上所用的石墨類(lèi)碳材料負(fù)極的理論容量。自10次充放電后，其庫(kù)倫效率一直保持在98%以上。我們進(jìn)一步地將α-Fe2O3納米棒陣列與納米棒粉末相比較時(shí)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(fù)極的理論容量高出許多，較先前所報(bào)道的α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)電極也有著明顯的優(yōu)勢(shì)。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(lèi)碳材料的理論容量372 mAh/g。由此可見(jiàn)，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(yīng)力緩沖能力。本文還通過(guò)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?xún)?yōu)于石墨碳。我們將上述α-Fe2O3陣列進(jìn)行進(jìn)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(xué)性能。此結(jié)果表明，負(fù)極材料的導(dǎo)電性對(duì)于電化學(xué)性能的影響也十分重大。本研究為尋找新型的氧化物負(fù)極材料提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

作品圖片

  • 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
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作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)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(yīng)。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(yīng)用的需要，我們選擇氧化鐵納米材料為研究對(duì)象，旨在設(shè)計(jì)氧化鐵（Fe2O3）納米棒陣列負(fù)極用于電池組裝，并對(duì)電池的循環(huán)壽命、快速充放電能力和工作機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)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(zhǎng)有序納米陣列。 3、對(duì)純的氧化物納米陣列進(jìn)行碳(C)修飾。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

實(shí)現(xiàn)鋰離子電池長(zhǎng)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(dòng)大規(guī)模機(jī)動(dòng)車(chē)輛的要求（實(shí)際應(yīng)用意義）。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中探索雜化有序納米線陣列的充放電機(jī)理，分析其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，有助于我們對(duì)雜化納米棒陣列負(fù)極嵌鋰脫鋰反應(yīng)本質(zhì)的理解，為更進(jìn)一步的研究奠定科學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)（科學(xué)意義）。

學(xué)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(yīng)。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(fù)極材料，并對(duì)其電化學(xué)性能和工作機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果表明倍率為0.5C時(shí)，陣列的首次充放電容量分別為840、1236mAh/g，遠(yuǎn)大于商用碳材料的理論容量。自10次充放電后，其庫(kù)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(bào)道的α-Fe2O3納米結(jié)構(gòu)電極均有明顯優(yōu)勢(shì)；然而粉末電極僅有329mAh/g。可見(jiàn)，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(yīng)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?xún)?yōu)于石墨碳。我們進(jìn)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(xué)性能，說(shuō)明負(fù)極材料的導(dǎo)電性對(duì)于電化學(xué)性能的影響也十分重大。本研究為尋找新型的氧化物負(fù)極材料提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

獲獎(jiǎng)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)）期刊 Journal of Physical Chemistry C（2010, 114, 21158–21164），期刊影響因子：4.224，國(guó)際刊號(hào)1932-7447

鑒定結(jié)果

SCI收錄，期刊影響因子：4.224

參考文獻(xiàn)

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(guó)科學(xué)院武漢科技查新咨詢(xún)檢索中心SCI論文檢索報(bào)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(lèi)課題研究水平概述

鋰離子電池作為一類(lèi)新型的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備，具有比容量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、污染小等特點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備。目前市場(chǎng)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(fù)極，其理論容量?jī)H為372mAh/g。如今，一些有發(fā)展前途的工業(yè)產(chǎn)品對(duì)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(fù)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(yīng)，被人們廣泛研究。Fe2O3材料的儲(chǔ)鋰機(jī)制為Fe2O3 + 6Li+ ←→ 3Li2O + 2Fe3+。這一完全可逆的氧化還原反應(yīng)確保了α-Fe2O3材料擁有優(yōu)越的庫(kù)倫效率和高的可逆容量。體相氧化物電極材料往往在動(dòng)力學(xué)上存在劣勢(shì)，即使在較低的倍率下，循環(huán)過(guò)程中仍有嚴(yán)重的容量損失。相反，納米材料擁有顯著的電化學(xué)性能，由于其具有大的比表面積和小尺寸效應(yīng)，使其展現(xiàn)出更好的儲(chǔ)鋰能力。盡管如此，進(jìn)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(xiàn)表明，一維納米材料以其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)可被廣泛應(yīng)用于光學(xué)、電子學(xué)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(zhǎng)徑比，從而有利于緩沖由于反復(fù)充放電過(guò)程中材料體積變化而引起的機(jī)械應(yīng)力。更重要的是，在集流體基底上直接生長(zhǎng)一維納米結(jié)構(gòu)陣列，能夠提供大量的傳導(dǎo)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(yīng)用前景。由此可見(jiàn)，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(fù)極是一項(xiàng)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(jī)物）混合后將其涂覆在金屬基底上才可制成電極，由此一來(lái)，作為粘結(jié)劑的有機(jī)物不導(dǎo)電，從而不利于電子的輸送。據(jù)我們所知，目前直接生長(zhǎng)α-Fe2O3一維納米陣列的報(bào)道很少，也未見(jiàn)在電極基底上直接生長(zhǎng)α-Fe2O3納米棒、線陣列用于鋰離子電池的負(fù)極材料的研究。因此，采用一種簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)將有利于我們更加深入地理解過(guò)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(xué)優(yōu)勢(shì)。
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