具有小孔结构的铁酸钴制备及其电化学性能研究

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摘要：锂离子电池作为一种新型的储能技术，在能源的储存与转化的过程中具有广泛的应用，开发出性能优异的电极材料是提高锂离子电池性能的有效途径。近年来，混合过渡金属氧化物用作为负极材料由于其较高的理论容量和高电化学反应活性引起了人们的广泛关注，但是大多数制备的过程较为复杂。本文采用了电沉积法合成了具有小孔结构、片状结构穿插形成结构稳定的CoFe2O4材料，电化学性能测试表明该材料具有良好的储锂性能。49308

毕业论文关键词：锂离子电池、负极材料、电化学性能、过渡金属氧化物、CoFe2O4

Preparation and electrochemical properties of cobalt ferrite with porous structure

Abstract: Lithium ion battery, a new type of high energy storage device, displays wide application and very important scientific significance in energy storage. The development of high-performance electrode materials is an effective approach to improve the electrochemical properties of lithium ion batteries. Nowadays, the mixed transition metal oxides have attracted much attention due to their high theoretical capacities and high electrochemical activity. However, most of the synthetic process is complicated. In this paper, we synthesized sheets-crossing like CoFe2O4 with porous structure, which have not been reported before by a facile electrodeposition method. Electrochemical measurements demonstrate that CoFe2O4 electrode shows good electrochemical performance.

Keywords: lithium ion battery; anode material; electrochemical properties; transition metal oxides; CoFe2O4

前言

伴随着经济全球化的进程和对能源需求的不断增加，寻找新的清洁能源已经成为新能源领域的热点。锂离子电池（LIBs）是目前综合性能最好的电池体系，其具有高比能量、循环寿命长、自放电小、质量轻、体积小、无记忆效应、无污染等优点，并迅速发展成为了新一代的储能电源[1] 。锂离子电池主要由三部分组成，电极、电解液和隔膜，锂离子电池的原理[2]如下图所示：

锂离子电池的原理图

充电时，正电极发生的是氧化反应，反应过程中向外电路释放电子，向内电路释放锂离子。经过外电路和充电机电子被输送到负电极，与此同时，锂离子则经过内电路中的电解质并穿过隔膜纸，进入到负电极的晶体结构中去。放电时，正电极发生的是还原反应，反应过程中是从外电路获得电子和内电路吸取锂离子。电子经过外电路和用电器被输送到正电极，在同一时间，锂离子经过内电路中的电解液并穿过隔膜纸，回到正电极的晶体结构中去。锂离子电池的性能主要取决于电极材料和电解质的发展，而对于电池来说电极材料的选择尤其重要。常见的正极材料主要有锂钴氧化物（LiCoO2）、锂铁磷复合氧化物（LiFePO4）、锂锰氧化物（LiMn2O4）、锂镍氧化物（LiNiO2）等[3]。锂离子电池负极材料的研究方向主要集中在如何提高其质量比容量和体积比容量、首次库伦效率、循环稳定性，以及如何降低生产成本这几方面。已知的负极材料主要包括碳/石墨基材料、合金类负极材料、含锂过渡金属氮化物、锡基负极材料、氧化物材料等[4]。其中，过渡金属氧化物电极材料（如CoO[5-7]、Fe3O4[8-10]、CuO[10-13]等）是一类重要的负极材料，与传统的石墨负极相比，过渡金属氧化物由于其具有较高的理论容量以及低廉的成本等优点受到了人们的广泛关注。但是，这些过渡金属氧化物作为负极材料其电子电导率较差，且循环过程中的体积膨胀较为严重，这些限制了它的进一步应用[18]。而材料纳米化和介孔材料的制备可以看作为是用来提高电化学性能的有效的策略，因此，纳米结构材料的合成设计，尤其是使用有前途的高孔隙率材料，被认为是应用于锂离子电池电极材料的重要方法之一。