ZnFe2O4基电极材料的制备及其电化学性能研究

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在经济的高速发展下,能源危机和环境污染问题日趋严重,人们在追求经济进步的同时也意识到了能源的重要性,科学家们开始对能源存储问题不断进行研究。锂离子电池(LIBs)自出现后,就备受人们青睐,因其能量储存密度高、对环境友好、循环性能稳定、使用时间长等优点得到了人们的广泛关注。石墨因为工作电压低、结构稳定成为目前商品化的负极材料,但是其较低的理论容量(372 mAh g-1)已经无法满足当前市场上的能源需求,锂离子电池的大规模应用受到限制。过渡金属氧化物同石墨相比,具有较高的理论容量,其中ZnFe2O4材料因其原料来源丰富、电压平台低、安全无毒等优点脱颖而出。但材料本身电导率低、容量衰减快、体积膨胀等问题限制了其实际应用。为了提升ZnFe2O4材料的电化学性能,本文对ZnFe2O4基负极材料进行了制备,研究工作如下:(1)采用简单的溶剂热法和高温煅烧法制备均匀的球状ZnFe2O4颗粒,随后采用化学氧化聚合法将聚吡咯(PPy)包覆在ZnFe2O4颗粒表面,形成大小一致分布均匀的ZnFe2O4@PPy复合材料。经过XRD、FTIR、XPS、SEM、TEM等测试方法对电极材料进行物理表征,再通过测试CV、循环性能、倍率性能等对其进行电化学性能表征。导电聚合物PPy的包覆可以有效改善ZnFe2O4的导电性,使ZnFe2O4@PPy复合材料具有较好的电化学性能;同时PPy具有一定的机械弹性,可以有效缓解嵌锂过程中ZnFe2O4的体积膨胀。在200 mA g-1的电流密度下测试,ZnFe2O4@PPy的初始放电比容量高达1361 mAh g-1,即使经过100圈循环,放电比容量也可达到1182 mAh g-1,远远好于纯相ZnFe2O4。随后提高电流密度进行测试,在2000 mA g-1下循环500次,ZnFe2O4@PPy的放电比容量为906 mAh g-1,ZnFe2O4的放电比容量仅为182 mAh g-1。(2)采用简单的两步水热法和随后的热处理工艺制备ZnFe2O4/MoS2/rGO复合材料,ZnFe2O4能够保持原本的截角八面体形状不变,MoS2和rGO以层片状结构存在。其中,rGO可以增强复合材料的导电性,且这种三维网状的结构可以缓解ZnFe2O4在放电时的体积膨胀,三种材料的协同作用使ZnFe2O4/MoS2/rGO负极材料具有较好的循环稳定性和倍率性能。对ZnFe2O4/MoS2/rGO、ZnFe2O4/rGO、ZnFe2O4、MoS2/rGO、MoS2和rGO负极材料进行一系列物理表征与电化学表征。电流密度为200 mA g-1时进行充放电测试,ZnFe2O4/MoS2/rGO的首圈放电比容量为2498 mAh g-1,经过100次循环后仍保留1568 mAh g-1的放电比容量,远远好于ZnFe2O4/rGO、ZnFe2O4、MoS2/rGO、MoS2、rGO。同时ZnFe2O4/MoS2/rGO也表现出了较为优异的倍率性能,即在1800 mA g-1较高的电流密度下进行倍率性能测试时,仍具有638 mAh g-1的放电比容量。
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