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摘要:在一定条件下，通过水热反应我们合成了小颗粒组装的八面体Fe2O3纳米晶。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)等手段对样品形貌和组成进行了表征。实验结果表明，我们合成的产物为小颗粒组装的具有八面体形貌的Fe2O3纳米晶。并对我们的样品作为锂离子电池的负极进行了锂离子电池性能测试，探究了其电化学性质。其结果表明，我们的样品具有良好的嵌/脱锂性能、良好的循环性能和较高的比容量。69860
Controlled synthesis of Fe2O3 octahedron assembled by small particles and its Lithium ion battery properties
Abstract: Under certain conditions, we synthesized octahedral Fe2O3 nanocrystals assembled by small particles by hydrothermal reaction. The morphology and composition of the samples were characterized by means of scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), X ray diffraction (XRD) and so on. The results indicate that the synthesized product is octahedral Fe2O3 nanocrystals assembled by small particles. In order to explore its electrochemical properties, we tested lithium ion battery performance of our sample as the negative electrode of the lithium ion battery. The results show that our samples exhibit good insertion/deinsertion Li+ properties, good cycle performance and high capacity.
Keywords: Fe2O3; Nanomaterials; Lithium ion battery
1前言
纳米材料的研发与应用已成为21世纪以来人们关注的热点，由于其较大的比表面积，低密度和更多的活性位点的优异特性，具备了一般块状材料不能比拟的优异性能，因此它在很多领域有着很大的发展前景[1-4]。相比于铅蓄电池比容量小，外观笨重，对环境腐蚀性强[5]，锂离子电池的能量密度大，平均输出电压高，具有较好的循环性，充放电速度快，环境友好，便携等优点，因此锂离子电池被广泛应用[6]。设计具有高性能电池负极材料一直是国内外研究的热点。论文网
α-Fe2O3具有充放电容量很大，导电性和导热性能好，具有廉价、抗腐蚀性好、对环境污染小等优点，其理论充放电比容量为1007 mA·h/g，是一种高比容量的负极材料，且为最有前途的碳负极材料替代物之一，可以很好地改善石墨低比容量这个缺点[7,8]。因此利用α-Fe2O3作为电极材料来制备高性能电池具有良好的应用前景。然而，在嵌/脱锂离子的过程中，巨大的体积变化会引起比容量的迅速衰减，由此导致α-Fe2O3制成的锂离子电池循环寿命较短[9,10]。
针对α-Fe2O3在嵌脱锂离子过程中体积膨胀的问题，科学家为此做了很多研究。南洋理工的楼雄文课题组通过草酸的选择性刻蚀作用，利用自上而下的方法合成出α-Fe2O3纳米单晶，该材料表面具有均匀的孔，且具有较大的比表面积，大大提高了α-Fe2O3作为锂离子电池负极时的容量保持率[7]。
另一种改善α-Fe2O3循环性能的方法为和碳负极材料、Ti、Co、Ag、Fe的氟化物等进行复合[7-16]。例如：南开大学高学平教授课题组将碳纳米管和硝酸铁水热反应，再烧结处理合成了Fe2O3填充多壁碳纳米管,经过测试，该材料具备了α-Fe2O3的高放电容量和碳负极材料低放电电位的优点，碳纳米管有效的抑制了了α-Fe2O3。在充放电过程中体积的膨胀，该材料表现出良好的循环性能[7,15]。上海交通大学化学化工学院使用石墨烯(GNS)与α-Fe2O3复合，形成的纳米复合材料很好的改善了α-Fe2O3的循环性能[8-16]。浙江大学与南京师范大学合作合成了α-Fe2O3-Ag纳米棒，该纳米材料表面有较多的纳米孔洞，可以改善α-Fe2O3的循环性能和比容量，最后容量稳定在549.8 mAh·g-1[17-26]。