[科普中国]-钴铁

简介

锂离子二次电池负极材料经历了从金属锂到锂合金、碳素材料、过渡金属氧化物的研究过程。实际使用主要为碳素材料，尽管通过材料改性在一定程度上改善了结构缺陷，提高了循环性能, 但其容量低的固有缺点无法克服, 影响碳素材料的实际应用。

因此寻找更好、更可靠的新型锂离子电池负极材料成为人们的研究方向，自1997 年研究人员发现无定形锡基复合氧化物（简称TCO）有较好的循环寿命和较高的可逆容量，这一结果在《Science》发表后，氧化物负极材料引起了人们的广泛注意, 成为电池负极材料领域研究的热点。

Fe2O3、Co3O4是研究较多的金属氧化物负极材料。Fe2O3的主要缺点是循环性能欠佳，Co3O4主要缺点是成本较高，这些缺点影响了金属氧化物负极材料的实际应用，而克服这些缺点是金属氧化物负极材料领域研究的重点1。

利用沉淀法制备纳米钴铁复合氧化物将一定量的浓NH3·H2O 溶液滴加到50 mL0.25 mol/LFeCl3和50 mL0.25 mol/LCoCl2混和溶液中，滴速为0.2滴/s。

待沉淀完全后，继续搅拌6h，并将此沉淀放置24 h后抽滤，洗涤至pH值为中性，然后置于烘箱中，于60℃下干燥24h，冷却至室温后研磨，后置于马弗炉中在500℃下加热6h，即得到深褐色粉状钴铁复合氧化物。

钴铁复合氧化物电化学性能测试将活性物质钴铁复合氧化物粉末、乙炔黑和PVDF按质量比75∶20∶5在溶剂N-甲基吡咯烷酮中混合均匀，然后将其均匀涂布在集流体铜箔上，在120℃真空干燥6 h制成钴铁复合氧化物电极。以钴铁复合氧化物为正极，以Cellgard-2400型聚丙烯膜为隔膜，1.0mol/L LiPF6 /（EC+DEC）（体积比为1∶1）溶液为电解液，金属锂为负极，在充满氩气的手套箱中装配成扣式测试电池。在Land CT2001A 型电池测试系统上进行充放电测试，充放电电压范围为2.5～0.05 V，充放电电流密度为0.2mA/cm2。循环伏安测试在CHI660b上进行测试，扫描速度为0.2 mV/s，扫描范围为2.5～0.05V2。

钴铁复合氧化物的物相和微结构合成样品为钴铁复合氧化物。根据钴铁复合氧化物的最强衍射峰101 峰，采用Scherrer 公式可以计算钴铁复合氧化物平均颗粒尺寸分别为25nm。可见，样品的尺寸在纳米级范围内。

钴铁复合氧化物有许多大小比较均匀的球状颗粒和棒状颗粒组成，球状颗粒之间存在较轻的团聚现象，而棒状颗粒分散情况良好。球状颗粒平均粒径和棒状颗粒的一维长度均为25 nm，与XRD 得到的结果相符。均匀的粒度分布、较小的颗粒尺寸使纳米钴铁复合氧化物负极具有较好的循环性能。

钴铁复合氧化物的电化学性能钴铁复合氧化物初始放电比容量为365mAh/g，第30周放电比容量为314 mAh/g，第40周放电比容量为268.9 mAh/g，第50周放电比容量为250.2mAh/g；氧化铁的初始放电比容量为806.2mAh/g，第30周放电比容量为133.2mAh/g，第40周放电比容量为88.5 mAh/g，第50周放电比容量为53mAh/g。可见钴铁复合氧化物的放电比容量明显高于氧化铁。

从30～50周，钴铁复合氧化物放电比容量由314 mAh/g 衰减到250.2 mAh/g，放电比容量保持率为80%；从40周到50周，钴铜复合氧化物放电比容量由268.9 mAh/g 衰减到250.2 mAh/g，放电容量保持率为93%，钴铁复合氧化物放电容量的衰减明显低于氧化铁。从放电容量- 循环次数可见，从第40 周后钴铁复合氧化物放电图形基本为一平台，说明钴铁复合氧化物具有良好的循环性能。

总结以二氯化钴、氯化铁、氨水为原料，用沉淀法制备了纳米钴铁复合氧化物粉末，并用X- 射线衍射分析、透射电镜和多种电化学方法对其进行了表征和测试。结果表明钴铁复合氧化物由许多大小比较均匀的球状颗粒和棒状颗粒组成，样品粒度分布较集中、平均粒径在25nm左右，球状颗粒存在较轻的团聚现象；电化学研究表明，从40周到50周，钴铁复合氧化物放电比容量由268.9mAh/g 衰减到250.2 mAh/g，放电容量保持率为93%，从放电比容量- 循环次数中可见，第40周后钴铁复合氧化物放电图形基本为一平台，说明纳米钴铁复合氧化物具有较高的放电比容量和良好的循环性能；与碳材料相比，纳米钴铁复合氧化物结构稳定，可靠性较高，与电解质溶液相容性较好，具备较高的放电容量和良好的循环性能，同时钴铁复合氧化物采用部分氧化铁取代四氧化三钴，有效降低了生产成本，是一种很有前途的锂离子电池负极材料3。