摘要：锂离子电池因其比能量大、循环寿命长、安全无污染以及无记忆等优点被广泛应用，负极材料的性能是影响锂离子电池性能的主要因素之一。目前已经商品化的锂离子电池的负极材料为石墨，但其理论容量低（372 mAh g-1），限制了锂离子电池更广泛的应用。因此研究并开发高理论容量、长寿命、安全环保的新型负极材料显得尤为重要。研究表明，过渡金属氧化物（SnO2、CuO、Co3O4和Fe3O4）等都具有较高的理论容量。其中，Fe3O4是最具发展前景的负极材料，这是因为Fe3O4具有理论放电比容量高（1007 mAh g-1）、环境友好、成本较低等优点。但是较低的导电性能和循环过程中的体积膨胀，导致其循环性能较差。本工作采用水热法合成立方结构的Fe3O4微纳材料，并对其电化学性能进行研究。研究表明，制备的Fe3O4立方体在100 mA g-1的电流密度下放电比容量高达800 mAh g-1，且循环性能和倍率性能良好。73446

毕业论文关键词：四氧化三铁、锂离子电池、负极材料、电化学性能

Preparation and electrochemical properties of ferroferric oxide as anode materials for lithium-ion batteries

Abstract: Lithium-ion batteries are widely used because of their high energy density, long cycle life, good safety, pollution-free and no memory performance。 The electrochemical performance of anode materials is one of the main factors that influence the performance of lithium-ion batteries。 The main anode materials of the commercial lithium-ion battery are carbon materials, but the low theoretical capacity (372 mAh g-1) makes it difficult for further practical use。 Therefore, researching and developing the anode materials with high theoretical capacity, long cycle life and good security are particularly important。 Studies have shown that transition metal oxides (SnO2, CuO, Co3O4 and Fe3O4) have high theoretical capacities。 Fe3O4 is considered as the most potential anode materials because Fe3O4 has a high theoretical discharge capacity of 1007 mAh g-1 and low cost, it is also environment-friendly。 However, poor conductivity and the volume expansion during cycling lead to poor cycle performance。 This work focuses on the synthesis of cubic Fe3O4 via a facile hydrothermal technique and its electrochemical properties as anode materials for lithium-ion batteries。 Studies have shown that, cubic Fe3O4 has a high discharge capacity of 800 mAh g-1 at 100 mA g-1 and a good cycle performance and rate performance。

Keywords: ferroferric oxide; lithium ion battery; anode material; electrochemical performance

前言

近年来，人类对能源的需求量在不断增加，而传统的化石燃料储量却在日益衰减，而且环境污染越来越严重，所以开发清洁高效的新能源成为人类面临的重大课题。近年来能源产业也发生了迅猛的变化，由图1可以看出二次能源的发展趋势正向着高能量密度的方向发展，由先前的能量密度较低的铅酸电池、镍镉电池发展到清洁环保的镍氢电池和高功率高利用率的锂离子电池，且在国家提倡的环保政策下，原先的铅汞蓄电池已经逐渐退出了二次能源的舞台，但锂电池由于使用轻金属Li为能源载体比其他电池拥有更高的容量，且循环性能较好，多次使用不会出现体积变大等问题，同时具有清洁、生产工艺简单等特点[1-3]，成为近年来人们研究的重点。经过多年研究，锂离子电池的能量密度已经可以提高150~180 Wh Kg-1。因此锂电池取得很大的商业化成功。因为锂离子电池具有较长的循环寿命，这就使得其成为了手机、电脑、数码相机等便携式设备及动力汽车电池的首选[4]。论文网

图1。 二次电池能量密度-功率密度示意图

由于锂离子电池是一种溶度差电池，其充电过程和放电过程是通过锂离子在正极负极区域间来回移动而完成的，因此锂电池又被人们形象的称为“摇椅式”电池。图2为锂离子电池的工作原理示意图：充电时，一定量的Li+从处于富锂状态下的正极电离出来，由电解质溶液从正极运动到负极，使负极转变为富锂态，正极转变为贫锂态，补偿电荷通过外电路由正极供给到负极，从而保证了负极的电荷平衡；当电池放电时电荷运动方向及Li+的运动方向恰好与充电时相反，且在理想的充放电过程中，电极材料的结构是不随着锂离子的往返运动而发生改变。因此，锂离子电池的正负极反应也属于可逆反应[5]。