基本信息
- 项目名称：
- 钛基底上氧化铁纳米棒阵列的大规模制备及其锂离子电池性能研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品设计生长的杂化阵列结构将碳材料和氧化物有序纳米棒阵列的优点集于一体。既利用了阵列结构电极的电子传输快、体积膨胀小、活性材料利用率高等诸多优点；又充分发挥了碳材料导电性好和机械强度高的优势，使电极材料能够维持其阵列结构的完整性（以增强循环能力）以及在高电流倍率下的工作性能。
- 详细介绍：
- 氧化铁（Fe2O3）不仅环境友好，易合成，容量高（1007 mAh/g），而且与锂离子具有完全可逆的氧化还原反应。本文以FeCl3•6H2O和Na2SO4为原料，采用简单的水热法，旨在设计氧化铁（Fe2O3）纳米棒阵列作为电池负极材料，并对电池的循环寿命、快速充放电能力和工作机理进行系统研究。结果表明，在倍率为0.5C时，（1C定义为每小时放4 mol的Li+，134.2 mA/g），阵列的首次放电容量约为1236 mAh/g，充电容量为840 mAh/g，远大于商业上所用的石墨类碳材料负极的理论容量。自10次充放电后，其库伦效率一直保持在98%以上。我们进一步地将α-Fe2O3纳米棒阵列与纳米棒粉末相比较时发现，在50次循环后，阵列结构材料的放电容量仍有562 mAh/g，不仅比碳材料负极的理论容量高出许多，较先前所报道的α-Fe2O3纳米结构电极也有着明显的优势。然而，粉末电极在50次循环之后容量只有329 mAh/g，小于石墨类碳材料的理论容量372 mAh/g。由此可见，阵列结构极大提高了电极的性能，这归因于纳米棒阵列优异的电子传输和良好的应力缓冲能力。本文还通过充放电曲线描述了α-Fe2O3纳米棒阵列在高倍率下的首次充放电性能，结果表明在2C倍率下的可逆容量（459 mAh/g）仍优于石墨碳。我们将上述α-Fe2O3阵列进行进一步处理，得到了Fe3O4、碳修饰氧化铁（C/α-Fe2O3）纳米棒阵列，两者均展现出了优越的电化学性能。此结果表明，负极材料的导电性对于电化学性能的影响也十分重大。本研究为寻找新型的氧化物负极材料提供了科学的实验依据。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 氧化铁（Fe2O3）不仅环境友好，易合成，容量高（1007 mAh/g），而且与锂离子具有完全可逆的氧化还原反应。因此，为了提高锂离子电池的容量和循环性能，使其能够满足高能量密度和高功率密度应用的需要，我们选择氧化铁纳米材料为研究对象，旨在设计氧化铁（Fe2O3）纳米棒阵列负极用于电池组装，并对电池的循环寿命、快速充放电能力和工作机理进行系统研究。
科学性、先进性及独特之处
- 1、采用有序纳米棒阵列结构的金属氧化物。 2、直接在电极基底上生长有序纳米阵列。 3、对纯的氧化物纳米阵列进行碳(C)修饰。
应用价值和现实意义
- 实现锂离子电池长的循环寿命和大功率充放电性能有望满足二次电池驱动大规模机动车辆的要求（实际应用意义）。同时，在实验过程中探索杂化有序纳米线阵列的充放电机理，分析其反应动力学过程，有助于我们对杂化纳米棒阵列负极嵌锂脱锂反应本质的理解，为更进一步的研究奠定科学的实验基础（科学意义）。
学术论文摘要
- 氧化铁环境友好，易合成，容量高（1007mAh/g），与Li+具有完全可逆的氧化还原反应。本文以FeCl3•6H2O和Na2SO4为原料，利用水热法合成了氧化铁纳米棒阵列作为电池负极材料，并对其电化学性能和工作机理进行研究。结果表明倍率为0.5C时，阵列的首次充放电容量分别为840、1236mAh/g，远大于商用碳材料的理论容量。自10次充放电后，其库伦效率仍在98%以上。我们将α-Fe2O3纳米棒阵列与纳米棒粉末相比较，发现在50次循环后，阵列结构材料的放电容量仍有562mAh/g，比碳材料的理论容量及先前报道的α-Fe2O3纳米结构电极均有明显优势；然而粉末电极仅有329mAh/g。可见，阵列结构极大提高了电极性能，这归因于其优异的电子传输和良好的应力缓冲能力。高倍率下的首次充放电性能结果表明，α-Fe2O3纳米棒阵列在2C倍率下的可逆容量（459mAh/g）仍优于石墨碳。我们进一步得到的Fe3O4、C/α-Fe2O3纳米棒阵列均展现出了优越的电化学性能，说明负极材料的导电性对于电化学性能的影响也十分重大。本研究为寻找新型的氧化物负极材料提供了科学的实验依据。
获奖情况
- 论文 “Large-Scale Porous Hematite Nanorod Arrays: Direct Growth on Titanium Foil and Reversible Lithium Storage” 于2010年11月发表在ACS（美国化学学会）期刊 Journal of Physical Chemistry C（2010, 114, 21158–21164），期刊影响因子：4.224，国际刊号1932-7447
鉴定结果
- SCI收录，期刊影响因子：4.224
参考文献
- 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、中国科学院武汉科技查新咨询检索中心SCI论文检索报告 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.
同类课题研究水平概述
- 锂离子电池作为一类新型的能量储存设备，具有比容量大、循环寿命长、污染小等特点，并广泛应用于各种便携式电子设备。目前市场上的小功率电子产品普遍采用碳材料作为锂离子电池的负极，其理论容量仅为372mAh/g。如今，一些有发展前途的工业产品对电池的能量和功率参数提出了更高的要求，从而促使人们致力于寻找能替代碳的新型负极材料。氧化铁不仅环境友好，易合成，容量高（1007 mA h/g），而且与锂离子具有完全可逆的氧化还原反应，被人们广泛研究。Fe2O3材料的储锂机制为Fe2O3 + 6Li+ ←→ 3Li2O + 2Fe3+。这一完全可逆的氧化还原反应确保了α-Fe2O3材料拥有优越的库伦效率和高的可逆容量。体相氧化物电极材料往往在动力学上存在劣势，即使在较低的倍率下，循环过程中仍有严重的容量损失。相反，纳米材料拥有显著的电化学性能，由于其具有大的比表面积和小尺寸效应，使其展现出更好的储锂能力。尽管如此，进一步提高电池的循环性能和比容量仍是非常具有挑战性的工作。先前的文献表明，一维纳米材料以其独特的几何结构可被广泛应用于光学、电子学以及光电子器件。相比于传统的体相材料和纳米颗粒，一维纳米结构有着大的长径比，从而有利于缓冲由于反复充放电过程中材料体积变化而引起的机械应力。更重要的是，在集流体基底上直接生长一维纳米结构阵列，能够提供大量的传导通道直接传输电子。我们先前研究了ZnO纳米线、SnO2纳米棒、CoO纳米线和Fe2O3纳米管这些一维结构阵列材料，结果证明采用一维纳米阵列结构材料作为电极具有很好的应用前景。由此可见，为了提高电池的工作能力，以一维的α-Fe2O3纳米阵列材料作为负极是一项可行的措施。先前人们合成了一些一维α-Fe2O3纳米材料，但是需要80%的活性氧化物材料、10%的碳黑以及10%的粘接剂（有机物）混合后将其涂覆在金属基底上才可制成电极，由此一来，作为粘结剂的有机物不导电，从而不利于电子的输送。据我们所知，目前直接生长α-Fe2O3一维纳米阵列的报道很少，也未见在电极基底上直接生长α-Fe2O3纳米棒、线阵列用于锂离子电池的负极材料的研究。因此，采用一种简单可行的方法，不用任何粘结或添加剂直接在电极基底上合成α-Fe2O3纳米棒、线阵列是非常具有挑战性的。实现这一目标将有利于我们更加深入地理解过渡金属氧化物有序纳米棒、线材料用于锂离子电池的电化学优势。
