鋰電池負(fù)極材料Fe₂O₃/Ag的合成及性能研究

崔仲平 黃愷

摘 要：開(kāi)發(fā)鋰離子電池的重要方向之一是尋找合適的電極材料，以保證鋰離子電池的高能量密度、比容量及較好的導(dǎo)電性和循環(huán)性能。此研究工作針對(duì)納米Fe2O3的缺陷，采用噴霧干燥法將其制備成微米級(jí)Fe2O3，同時(shí)結(jié)合Ag包覆以提高電池性能，這為將來(lái)如何提高電池導(dǎo)電循環(huán)性能、導(dǎo)鋰能力，進(jìn)而延長(zhǎng)循環(huán)壽命提供了一定價(jià)值的研究依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三氧化二鐵；鋰離子電池；電池性能；噴霧干燥法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.07.199

1 實(shí)驗(yàn)原理

隨著科技的發(fā)展，如今針對(duì)電極導(dǎo)電性差的改進(jìn)方法頗多，摻雜、包覆等均可改善電極的電化學(xué)性能，在眾多導(dǎo)電材料中，銀是導(dǎo)電性較強(qiáng)的金屬，其對(duì)電極的電化學(xué)性能會(huì)有很好的改善，銀氨法操作較為簡(jiǎn)單，包覆均勻，應(yīng)用廣泛，故在本試驗(yàn)中采用銀氨法制備鋰離子電池負(fù)極復(fù)合材料Fe2O3/Ag。

銀鏡反應(yīng)機(jī)理 ：

AgNO3+2NH3·H2O = Ag（NH3）2OH+HNO3+H2O （1）

HCHO+4Ag（NH3）2OH→ 4Ag↓+4H2O+6NH3 （2）

2 實(shí)驗(yàn)用試劑及儀器

試劑：硝酸鐵（分析純）、氫氧化鈉（分析純）、結(jié)晶硫酸鈉（分析純）、蔗糖（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）、N-甲基-2-吡咯烷酮（分析純）、鹽酸（分析純）。

儀器：實(shí)驗(yàn)型噴霧干燥機(jī)（DC-1500）、高溫節(jié)能管式爐（KSS-1400℃）、行星式球磨機(jī)（QM-3SP04）、恒溫磁力攪拌器（85-1）、電子天平（AUY120）、油壓千斤頂（QYL10t）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（101-1）、玻璃儀器氣流烘干器（C型）。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 水熱合成法制備納米Fe2O3前驅(qū)體

取5g氫氧化鈉配制成6mol/L的溶液；取20 g硝酸鐵配制成2mol/L的溶液，將將兩種溶液混合，在磁力攪拌器上攪拌至混合均勻。取0.05g硫酸鈉配制成0.06mol/L溶液，加入至混合液中，在磁力攪拌器上攪拌至混合均勻。混合液加熱4h后將上層清液取出轉(zhuǎn)移燒杯中，加入蔗糖1.5g，加入蒸餾水至60mL，在磁力攪拌器上攪拌至混合均勻，以相同方法再制作兩份混合液。

3.2 噴霧干燥法制備微米Fe2O3

用噴霧干燥器將樣品干燥，收集到的產(chǎn)品用研缽研磨后得4.9131g樣品。取4g樣品置于坩堝中在管式爐中600℃焙燒3h，自然冷卻后取出研磨得1.6971g樣品。

3.3 銀氨法制備Fe2O3/Ag復(fù)合材料

在1、2號(hào)燒杯中各加入甲醛溶液（37%）10mL、無(wú)水乙醇20mL，三氧化二鐵0.3g，攪拌均勻后恒溫水浴中加熱到30℃。在3、4號(hào)燒杯中各加入硝酸銀0.025g、0.05g，加入等量蒸餾水待完全溶解，取1mL氨水溶液（25%）稀釋至50mL，在攪拌下緩慢滴加氨水至硝酸銀溶液中生成沉淀恰好完全溶解呈透明，恒溫水浴中加熱至30℃。將3、4號(hào)的銀氨溶液分別緩慢加入到1、2號(hào)燒杯中，攪拌均勻。反應(yīng)后將Fe2O3/Ag包覆復(fù)合粉體洗滌、烘干，產(chǎn)品研磨裝袋，銀包覆量分別為5%，10%。

3.4 扣式電池組裝

將制得的活性物質(zhì)Fe2O3、Fe2O3/Ag5%、Fe2O3/Ag10%，以及S-P、PVDF（5%溶液） 按照 8：1 ： 1的比例，依次置于球磨罐中，用玻璃棒攪拌均勻并滴入N-甲基-2-吡咯烷酮至成泥狀，球磨。將球磨好的物料混合物涂于銅片的一面，烘干。以自制的銅片電極為負(fù)極組裝成扣式電池。

3.5 電化學(xué)性能測(cè)試

3.5.1 充放電實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)得出，F(xiàn)e2O3/Ag樣品的電池容量明顯提高，F(xiàn)e2O3/Ag5%與Fe2O3/Ag10%的庫(kù)倫效率分別提高了7.13%及27.63%，不可逆容量由589 mAh/g降低為525.9mAh/g及338.1mAh/g，F(xiàn)e2O3/Ag10%樣品比Fe2O3/Ag5%樣品性能提高更為明顯。

3.5.2 循環(huán)性能

設(shè)置參數(shù)循環(huán)次數(shù)為20次，充放電電流為0.1C，靜置時(shí)間是1min，充放電電壓范圍為0.7～2.5V。實(shí)驗(yàn)得出，F(xiàn)e2O3樣品，其容量最低；Fe2O3/Ag5%樣品容量與純Fe2O3樣品容量幾乎沒(méi)有區(qū)別，均穩(wěn)定在50mAh/g，這可能是由于因的包覆量較小，以至于性能沒(méi)有得到顯著地提高；Fe2O3/Ag10%樣品容量有明顯提高，性能較好。

3.5.3 交流阻抗測(cè)試

實(shí)驗(yàn)得出，F(xiàn)e2O3材料電荷轉(zhuǎn)移阻抗為254.6Ω，而Fe2O3/Ag5%與Fe2O3/Ag10%材料的電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小量分別為112.9Ω、67.07Ω。因?yàn)橛脟婌F干燥法制備的微米Fe2O3，粒徑小使Li+發(fā)生遷移的通道減小，從而阻抗明顯減??；同時(shí)包覆Ag能夠增強(qiáng)電極材料的導(dǎo)電性能，較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）Fe2O3/Ag電極材料的充放電容量有明顯的提高。

（2）包覆銀的電極材料導(dǎo)電性更好，并且不可逆容量顯著降低。

（3）通過(guò)電化學(xué)測(cè)試可知，包覆銀的電池容量明顯提高，循環(huán)性能增強(qiáng)，且有平坦的放電平臺(tái)，比容量及儲(chǔ)鋰能力顯著提高，庫(kù)侖效率明顯提高。

（4）材料的電化學(xué)性能Fe2O3/Ag10%最佳，F(xiàn)e2O3/Ag5%次之，F(xiàn)e2O3最差。

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作者簡(jiǎn)介：崔仲平（1989-），女，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：配位化合物及多酸的合成與性能研究。