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111780字博士毕业论文高速氟化铁纳米电极的构建及电化学性能

论文类型:博士毕业论文
论文字数:111780字
论点:电极,石墨,阵列
论文概述:

本文是博士生论文, 采用“离子液体”辅助的原位合成方法制备的FeF3•0.33H2O/GNS 复合电极材料可以显著提高活性物质的倍率性能和循环稳定性。

论文正文:

第一章螺纹理论

目前商业化的二次电池主要包括锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池和铅酸电池。锂离子电池具有比能量高(150~200 Wh kg/1)、工作电压高(3.5V以上)、循环寿命长(500倍以上,甚至1000~2000倍)、工作温度范围宽(-37℃ ~ 60℃)、自放电小(储存1个月后自放电率约为10%)、环保、无记忆效应等优点。这是一个绿色环保的储能系统[3,4]。经过几十年的积累和发展,随着新型电极材料的研发和锂离子电池生产技术和工艺的改进和完善,锂离子电池的性能不断提高,生产成本逐渐降低,产量大幅增加,锂离子电池逐渐占据了充电电池市场的领先地位。由于其众多优势,锂离子电池被认为是便携式电子设备、混合电动汽车(HEV)和电动汽车(EV)、大规模智能电网以及间歇能源(如风能和太阳能)和可再生能源系统([5-7)的最有前途的储能装置。图1-1显示了各种电气设备的发展和对供电设备的要求。便携式电子设备希望获得更高体积能量密度和质量能量密度的锂离子电池,而大型电子设备、混合动力电动汽车(HEV)和电动汽车(EV)需要更高功率密度的锂离子电池。智能电网的发展更青睐循环稳定性好、成本低的锂离子电池[6-8]。随着便携式电子消费品和电动汽车对锂离子电池能量密度和功率密度的需求日益增加,以及军事、航空航天和航空等新应用领域的发展空,电池性能得到了稳步快速的提升。
……

第二章实验材料和研究方法

2.1实验仪器设备和实验药物
本文合成样品中使用的原料均为市售直接使用,所用溶剂和离子液体需要干燥。使用的主要药物和消耗品及其制造商见表2-2。
1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[BMIM] [BF4] 99.9%中国科学院兰州化学物理研究所
铁(NO3) 39H2O分析纯上海景春生化科技有限公司
无水乙醇C2H5OH分析纯天津科米欧化学试剂有限公司
丙酮ch3coh3分析纯天津科米欧化学试剂有限公司
钛箔ti 99.99%阿尔发(天津) [有限公司/br/] HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 4 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 3 HNO 2 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 2 HNO _ 2 HNO _ 2 HNO _ 2 HNO _ 2 HNO _ 2 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO _ 3 HNO首先将铁(NO3) 39H2O溶解在[Bmim][BF4]中,然后在真空炉中连续抽真空空 6 h以除去溶液中的一些结晶水。 在氮气保护下持续加热搅拌,直至乙醇完全挥发,溶液呈粘稠状态停止反应。用丙酮离心清洗6~8次后,收集样品并干燥。石墨烯的制备方法对复合材料的电化学性能起着重要作用。本实验所用石墨烯是用氧化石墨还原法制备的。制备过程可分为氧化和还原两个主要步骤[。氧化的主要目的是在天然鳞片石墨中引入含氧官能团,从而增加石墨烯片之间的距离,从而通过超声波处理获得剥离的氧化石墨烯。还原的目的是尽可能去除氧化过程中引入的含氧官能团,修复石墨烯断裂的芳香结构,恢复石墨烯原有的物理性质。

第三章铁30.33水/石墨烯电极的制备及性能................32
3.1导言……32
3.2纳米FeF30.33H2O材料的制备与表征...................32
第4章Fe3 30.33 H2O @ CMK-3复合电极材料的制备及性能..............................49
4.1导言............................49
4.2 FEF 30.33H2O @ CMK-3复合材料合成和结构表征...........................................49
第5章fe30.33 H2O @ CNHS复合电极的制备及电化学性能..............................63
5.1导言................................63
5.2 FeF3 0.33 H2O @ CNHs复合材料的合成及结构表征.............................................63
5 . 2 . 1 FEF 30.33 H2O @ CNHS复合材料的典型合成工艺.........................................63

第6章分级自支撑FEF 30.33H2O花阵列电极的结构和电化学性能

6.1简介
在本章中,我们采用简单的溶剂热合成法,以无水乙醇和离子液体为溶剂,构建了直接生长在金属钛基底上的梯度FeF3 0.33 H2O花状阵列电极。在充分研究Fe3 0.33 H2O花阵列形态的基础上,进一步探索了阵列的生长过程。通过系统比较FeF 30.33H2O花状阵列电极和FeF 30.33H2O粉末电极的电化学性能,发现该阵列具有更优异的倍率性能循环性能。

6.2fef30.33h2o花状阵列电极的合成及结构表征
在此基础上,我们进一步观察了阵列电极的宏观形貌。图6-3是FeF3 0.33 H2O阵列电极的数码照片。如图所示,阵列电极在4×5 cm的大面积内具有均匀的外观。图6-3b是当阵列电极弯曲时拍摄的照片。如图所示,当阵列电极的弯曲角度大于90度时,活性物质不会脱落,这表明活性物质与导电集流体结合牢固,也表明我们制备的FeF3 0.33 H2O阵列电极在柔性电池的应用中具有很大的潜力。图6-4是fef30.33h2o花阵列的扫描电镜照片。如图6-4a所示,钛基底的表面均匀地覆盖有一层fef30.33h2o花结构。为了进一步观察花状结构的形态,用高功率扫描电镜对一种典型的“花”进行了测试。如图6-4b所示,花状结构通过将数十个500纳米大小的FeF3 0.33 H2O纳米片彼此连接以形成直径约为1μ m的“花”而形成。相邻纳米片紧密连接以形成稳定的分级结构。同时,纳米片之间具有约20纳米的开孔结构。这种多孔分级结构有利于FeF3 0.33 H2O对电解质的维持和电解质[223]的快速传输。
……

结论

本文的主要结论如下:
(1)离子液体辅助原位合成制备的FeF3 0.33 H2O/GNS复合电极材料能显著提高活性物质的速率性能和循环稳定性。利用离子液体咪唑阳离子和石墨烯π电子之间的强作用,将石墨烯均匀分散在反应体系中,避免了氧化石墨烯带来的后续还原处理。整个合成过程是一步原位合成法。Fe3 0.33 H2O纳米晶的成核和晶体生长都发生在石墨烯表面。这种原位复合方法确保了石墨烯和氟化铁颗粒之间的紧密导电接触,并为其优异的倍率性能和循环性能提供了稳定的结构基础。电化学测试表明,Fe3 0.33 H2O/GNS复合电极材料的倍率性能和循环性能均有显著提高。在1℃充放电速率下,200次循环后放电容量仍可保持在142毫安时?1 .在10℃充电/放电速率下循环250次后,容量仍可保持在115毫安时。1 .
2)有限畴的FeF30.33H2O @ CMK-3复合电极材料可以显著改善活性物质的高速充放电性能。纳米铸造法制备了电子转移率高、孔结构发达的Fe3 30.33 H2O @ CMK-3材料。
……

参考文献(省略)