水热法合成CuFe2O4锂电池阳极材料及性能研究
2021-08-15
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2015年8月 湖北第二师范学院学报 Journal of Hubei University of Education Aug.2015 Vo1.32 No.8 第32卷第8期 水热法合成CuFe2 04锂电池阳极 材料及性能研究 华 丽 ,何亚如 (1.湖北第二师范学院化学与生命科学学院,武汉430205; 2.华中科技大学材料科学与工程学院,武汉430074) 摘要:采用水热法合成CuFe 0 材料并对其作为锂电池阳极材料电化学性能进行研究。SEM结果显示,该材 料呈微米片状结构,颗粒均匀;XRD分析显示,晶面[220]、[311]、[400]、[422]、[511]、[440]均与立方尖晶石 结构的CuFe 0 的标准谱图完全一致,说明获得的材料为准晶型尖晶石结构。对CuFe:0 进行恒电流充放电性 能测试,结果显示,第1次充放电比容量分别为484.2mAh・g 和512.5mAh・g~,第5次充放电比容量分别为 357.1mAh・g 和373.5mAh・g一,第10,30,50,70次充放电比容量分别为294 mAh・g 和305.4 mAh・ g~,274 mAh・g 和282.2 mAh・g~,260.3 mAh・g 和269.2 mAh‘g~,228.7 mAh‘g 和233.3mAh ・g。。。 关键词:铁酸铜;水热法;锂离子电池;电化学性能 中图分类号:TM201 文献标识码:A 文章编号:1674-344X(2015)0843001434 铁酸铜多用于催化剂 ]、医药载体 J、信息存 储 J、吸附剂 等,但作为锂离子电池的电极材料 报道较少。铁酸铜作为锂离子电池的电极材料有 沉淀法l 、硬模板法、溶胶一凝胶法 j、热分解 法 、固相反应法 、溅射法 及燃烧法等,但这 些方法都需要高温焙烧处理,制备的粉体通常粒 径均匀性差,团聚严重。而水热合成方法由于反 应条件相对温和,条件易于控制,所得的粉体粒度 小、粒径分布范围窄、结晶良好,是合成无机微/纳 米材料的一种有效方法。 本文以Cu(NO3)2・3H20和Fe(NO3)3・ 9H 0为原料,乙二醇为溶剂,通过水热方法成功 以下优点:(1)表面张力很大,有机溶剂分子难以 嵌入到电极晶格内部,可以很好地阻止溶剂分子 的嵌人对电极结构的破坏;(2)表面空隙很多,能 较大地增加电极与电解液的接触面积,方便改善 电极材料与有机溶剂的浸润性;(3)表面缺陷很有 可能产生亚带隙,会使电极的放电曲线更加平 滑 J,有利于延长电极的循环寿命;(4)微纳米结 构的铁酸铜粉体比表面积大,各向异性的界面占 了材料的1%—5%,电极在嵌脱锂时的界面反应 位置很多,有利于减小电极电化学过程中的极化 现象。。 。目前文献报道的CuFe 0 制备方法有共 收稿日期:2015—05—16 制备了微米级CuFe 0 粉体材料,并对其形貌进行 SEM表征,对产物晶型进行XRD分析。将其作为 锂离子电池的电极材料,进行恒电流充放电测试, 并对其脱嵌锂离子过程机理进行初步探讨,以期 获得有用数据。 基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51171068);湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队建设计划项目 (T201225);湖北省教育科学“十二五”规划课题(2011B232);《植物抗癌活性物质提纯与应用》湖北省重点 实验室项目;湖北第二师范学院优秀科研教师团队建设计划项目(2012K203);湖北第二师范学院化学重点 学科建设计划项目(2013XZXK05);湖北省教育厅教学研究项目(2014395) 作者简介:华丽(1974一),女,湖北武穴人,副教授,博士后,研究方向为纳米功能材料。 ・】・ 1实验部分 1.1仪器和试剂 仪器:集热式恒温加热磁力搅拌机(DF一101 型,上海卫凯仪器设备有限公司);80—2离心机 (江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司);恒温烘 箱(DZF一250,郑州长城科工贸有限公司);ESEM 环境扫描电镜(Quanta 200,FEI公司);氩气保护 的真空手套箱(CLX一1,连云港市春龙实验仪器 有限公司);Land CT2001A电池测试系统(武汉蓝 电电子有限公司);X一射线衍射仪(XRD,荷兰帕 纳科公司PANalytical B.V./X Pert PRO);带 60mL聚四氟乙烯内胆的不锈钢反应釜(市售)。 试剂:硝酸铁(Fe(NO ),・9H O)、硝酸铜 (Cu(NO3)2・3H O)、乙二醇、氢氧化钠(NaOH) 均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司),去离 子水(UhrapureMilli—Q超纯水)自制。电解液为 1 M LiPF6的碳乙烯酯(EC)/碳酸二乙酯(DEC) (体积比为1:1)有机溶液(张家港翔达电池材料有 限责任公司),高纯金属锂片(纯度>99.9%,上海 化学试剂公司),电池隔膜为微孔聚丙烯膜(Ceigad 2400)。1一甲基一2一吡咯烷酮(NMP,CR,上海 国药试剂有限公司);聚偏氟乙烯(PVDF,AR,浙 江巨化股份有限公司氟聚厂);铜箔片(天津市光 复精细化工研究);导电乙炔黑(工业级,市售)。 1.2实验方法 1.2.1实验步骤 参考文献[7],准确称取0.4832 g Cu(NO ) ・3H2O和1.616 g Fe(NO3) ・9H O加入到 30 mL乙二醇中,室温下磁力搅拌30 min。逐滴用 6 M的NaOH水溶液调节混合体系pH=10,磁力 搅拌30 min。然后将混合液转移到60mL聚四氟 乙烯内胆中,整个置于不锈钢水热反应釜中,密封 放人18OqC烘箱中反应24h。待水热反应釜自然 冷却后,取出内胆弃去上层清液,将固体产物用去 离子水离心洗涤5次,最后将所得到的产物放人 60 c【=恒温烘箱中干燥得到产物。 1.2.2电池组装和性能测试 将制备好并烘干的CuFe:O 作为活性物质,将 活性物质、乙炔黑、粘合剂聚偏氟乙烷(PVDF)按 照质量比例为80:10:10在1一甲基一2一吡咯烷酮 (NMP)中混合均匀成一定粘度的材料,然后将其 均匀地涂覆在铜箱上,置于120 ̄C干燥箱内干燥 2h除去溶剂,干燥后用辊压机滚压,用切片机将其 切成直径为10mm的圆片作为电极片。之后将切 .2. 好的电极片置于60%的恒温烘箱内进一步干燥 12h。精确称量每个电极片的重量,备用。 以制备的电极片为负极,电极片的承载量一 般为5~8 mg・em~,1 mol/L LiPF6/EC:DEC(体 积比=1:1)为电解液,以高纯锂片作为对电极和 参比电极组成的半电池在充满保护气氛(氩气)的 手套箱中组装成实验室自制的CR一2032型扣式 电池。并以50mA・g 电流密度在0.01~3V电 压范围内用Land CT2001A电池程控测试仪进行 恒电流充放电性能测试。 2结果与讨论 2.1 SEM表征 为了考察铁酸铜的形貌与尺寸,对其进行了 SEM表征,如图1a,b所示。可以清晰地看出晶体 形状较规则,形貌近似为微米片状,单个粒子的尺 寸基本达到微米级,颗粒分布均匀,结晶度高,粒 径约为0.6—1.2 m左右。从中可以看到有些地 方CuFe O 是由较小颗粒(~60 nm)团聚形成的 片,类似的现象在文献¨ 也有提到,这主要是由于 CuFe O 具有磁性使形成过程中小颗粒相互吸引 所致团聚¨ 。为了防止其团聚,在组装成锂电池 电极材料之前需要足够超声分散。 图1 水热法合成CuFe O 材料的SEM电镜图 (a,5000X;b,20000X) 2.2 XRD分析 图2是CuFe O 的XRD的衍射图谱。从中可 以看出,出现CuFe O 的特征衍射峰对应的晶面 是[220]、[311]、[400]、[422]、[511]、[440],均 与立方尖晶石型结构CuFe O 的标准谱图完全一 致,结晶度较好¨ 。因此,获得的材料为准晶型的 CuFe O 材料,且为尖晶石型准晶型结构。 2.3恒电流充放电测试 为了研究铁酸铜作为锂离子电池负极材料时 的电化学性能,进行了恒流充放电测试,测试时的 电流密度为50 mA g~,电压区间划为0.01—3V。 ; 要 誊 墨 差 考 面 2B( 图2水热法合成CuFe2O4的XRD图谱 图3是水热法合成的CuFe O 电极材料分别充放 电1,5,10,30,50,70次循环后的充放电曲线,从 中可知,第1次充放电比容量分别为 484.2 mAh g 和512.5 mAh g一,第5次充放电 比容量分别为357.1 mAh g 和373.5mAh g。。,第 10,30,5O,70次充放电比容量分别为 294 mAh g 和305.4 mAh g~,274 mAh g 和 282.2 mAh g。。,260.3 mAh g 和269.2 mAh g一, 228.7 mAh g 和233.3mAh g~。首次放电过程 中,在0.7V左右出现了放电电压平台,主要是由 于锂离子在嵌入过程中过渡金属Cu离子和Fe离 子的还原;在充电过程中,出现脱嵌过程中过滤金 属Cu和Fe的氧化。经过5,10,3O次充放电循环 时,其充电和放电比容量均损失得较为严重,这可 能与铁酸铜电极粉体团聚现象比较严重,电解液 与铁酸铜的接触面积减小,也严重阻止了电解液 的渗入,因此锂离子嵌入/脱嵌位点减少。同时, 在充放电过程中由于多个锂离子与电极材料反应 会引起电极材料的体积膨胀和收缩,由此产生的 内应力很容易将铁酸铜纳米簇在循环过程中逐渐 破裂、粉化,尖晶石型准晶型结构被破坏,从而导 致可逆比容量随循环次数增加而快速衰减。 3 结论 以Cu(NO3)2・3H2O和Fe(NO3)3・9H2O为 原料,水热法制备CuFe:O 材料。产物为微米片 状结构,更微小的颗粒部分团聚成块簇。将其组 装成锂离子电池的电极材料,探讨了电极材料随 着充放电次数的增长对可逆比容量大小的影响。 结果表明,虽然首次充放电比容量较大,但经过5, 1O,30次充放电循环时,其充电和放电比容量均 损失得较为严重,主要原因可能与晶粒磁性吸引 图3 水热法合成的CuFe2O4电极材料恒电流 充放电曲线(电流密度为50 mA・gI1) 引起团聚和充放电过程中尖晶石准晶型被破坏有 关,这是制约其作为锂离子电池电极材料大规模 应用的主要因素,今后有望通过纳米化、表面改性 和包覆等技术来进一步增大其可逆比容量,提高 其充放电循环的稳定性。 参考文献: [1]Selvan R K,Augustin C O,Berchmans L B,et a1.Com— bustion synthesis of CuFe2 O4[J].Mater.Res.Bull,2003, 38:41—54. 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XRD analysis showed that the crystals with crystal surface of[220],[311],[400],[422],[511],[440] were identical to the cube standard spinel structure of CuFe2 O4 spectra,indicating the the obtained product has a standard sDinel crysta1.The charge and discharge curves were detected.The results showed that the first charge and discharge capacities were 484.2 mAh・g一 and 512.5 mAh・g一 ,357.1 mAh・g一 and 373.5mAh‘g一 or the 5th cyc1e.294 mAh・g一 and 305.4 mAh・g~ ,274 mAh・g一 and 282.2 mAh・g一 ,260.3 mAh・f g一 and 269.2 mAh.g一 ,228.7 mAh・g一 and 233.3mAh・g一 for the 10th,30th,50th,70th cycle,respectively. Key words:iron acid copper;hydrothermal method;lithium ion batteries;electrochemical characteristics ・4・