论文总字数：22619字

摘 要

近年来，电池在人们生活中的应用愈加广泛，锂电池和钠电池的发明也极大的推动了社会的发展。锂电池和钠电池具有安全稳定性高，危险系数小、对环境污染小等优点，所以在近年来引起了人们的广泛关注。然而，现在商业所用的锂电池和钠电池的性能无法满足人们日益增长的对于发展的需要，这激励着人们发展性能更加好的电池材料。而电池的负极材料性能的好坏直接决定着锂电池和钠电池性能的优劣。本文主要以FeTiO₃为研究对象，采用水热法制备纯相的FeTiO₃，并对其进行改性研究，尝试掺杂Fe₂O₃ 和石墨烯，研究其作为负极材料的电池性能。尝试制备出高性能的复合材料作为锂电池和钠电池的负极材料，为以FeTiO₃为负极材料的高性能锂/钠电池的设计和发展提供新的思路和重要的实验数据。

关键词：钛酸亚铁，石墨烯，锂/钠电池，负极材料

Abstract

In recent years, the use of batteries in people's lives has become more widespread. The invention of lithium ion batteries and sodium ion batteries has also greatly promoted the development of society. Lithium ion batteries and sodium ion batteries have the advantages of high safety and stability, low risk factor, and low environmental pollution, and therefore have attracted wide attention in recent years. However, the performance of lithium ion batteries and sodium ion batteries currently used in commerce cannot satisfy people's growing needs for development, which inspires people to develop battery materials with better performance. The performance of the battery's anode material directly determines the pros and cons of lithium battery and sodium battery performance. This thesis mainly regards the research object of FeTiO₃, uses the hydrothermal method to prepare the pure phase FeTiO₃, and carries out the modification research on it, attempts to dope with Fe₂O₃ and the graphene, studies its battery performance as anode material. Attempting to prepare high-performance composite materials as anode materials for lithium ion batteries and sodium ion batteries provide new ideas and important experimental data for the design and development of high-performance lithium/sodium ion batteries using FeTiO₃ as an anode material.

KEY WORDS:, graphene, Lithium ion batteries and sodium ion batteries, anode material

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂/钠离子电池概述 1

1.2.1 锂离子电池的工作原理 1

1.2.2 锂/钠离子电池负极材料概述 3

1.3 石墨烯 6

1.3.1 石墨烯概述 6

1.3.2 氧化石墨烯的制备方法 7

1.3.3 石墨烯复合材料 7

第二章 实验材料、仪器和方法 8

2.1 实验材料和仪器 8

2.1.1 实验材料和药品 8

2.1.2 实验设备和仪器 8

2.2 材料的测试方法与表征 9

2.2.1 X射线衍射 9

2.2.2 形貌观察 9

2.3 电极的制备与电池的组装 10

2.3.1 电极的制备 10

2.3.2 电池的组装 10

2.4 电化学性能测试 10

2.4.1 充放电性能测试 10

2.4.2 循环伏安测试 11

2.4.3 交流阻抗测试 11

第三章 FeTiO₃的制备和研究 12

3.1 FeTiO₃简介 12

3.1.1 FeTiO₃的发展和特点 12

3.1.2 FeTiO₃材料的优越性 12

3.1.3 FeTiO₃材料的充放电原理 13

3.1.4 FeTiO₃材料的制备方法 13

3.2 实验部分 13

3.2.1 片状FeTiO₃的制备 13

3.2.2 电池的组装与测试 13

3.3 FeTiO₃的表征与电化学性能测试 13

3.3.1 X射线衍射 13

3.3.2 形貌分析 14

3.3.3 电化学性能测试 15

第四章 FeTiO₃的改性研究 19

4.1 概述 19

4.1.1 纯FeTiO₃存在的缺陷 19

4.1.2 改性材料的选择 19

4.2 实验过程 20

4.2.1 复合材料制备方法 20

4.2.2 FeTiO₃-氧化石墨烯复合材料的制备方法 20

4.3 产物表征和电池性能测试 22

4.3.1 X射线衍射 22

4.3.2 形貌分析 24

4.3.3 倍率性能测试 25

4.3.4 交流阻抗测试 28

第五章 总结和展望 29

4.1 总结 29

4.2 展望 29

致谢 30

参考文献 31

绪论

引言

自18世纪工业革命以来，随着资源逐渐被开发，人类对于能源的掌握和使用推动着社会不断的进步。然而，随着当今社会的持续的发展，我们面临一些严峻的问题。首先，化石燃料在自然界存储的量是有限的，当今社会，化石燃料逐渐被人类开采，存储量越来越少，资源面临枯竭的局面，我们也面对着没有资源可用的尴尬境地；其次，化石燃料的燃烧不可避免的会产生很多二氧化碳、二氧化硫等温室气体，这会导致温室效应进一步加剧，给本就严峻的自然环境造成了更大的压力。当今时代已经发展出很多清洁能源，如风力、水能、太阳能等，这一定程度上缓解了工业发展上能源不足的问题，但这些能源对地形的限制比较大，存在很大的局限性。因此，开发新能源和新的储能设备势在必行。

在呼吁发展低二氧化碳排放和更环保的生活方式的趋势下，人们要求无论是在工业生产还是在日常生活中，采用更多的清洁能源，如太阳辐射，海浪和风能，以取代以前的煤炭，石油和其他不可再生能源。 然而，这些能源都需要能源转换和储存，以便在高峰时段实现峰值电力和储存能量的释放，所以最合适的电力供应系统是具有效率，稳定性和可靠性优势的电池。到目前为止，锂离子电池已被广泛应用于日常生活中，如电脑，电动汽车，便携式电子设备以及插电式混合动力电动汽车等，但最近钠电池已经进入了我们的能源储存领域，受益于其与锂电池类似的物理和化学性质，丰富的资源和相当低的成本，也被重新用于下一代电池。

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