摘要
近年来，随着科学技术的进步和人们生活水平的不断提高，对于能源的需求不断上升，因此绿色清洁能源的重要性不断提高。目前，锂离子电池在储能系统、医疗器械、交通运输和便携式电子设备等领域中得到了广泛应用，被视为最具潜力的能量存储设备。锂离子电池能够将储存的化学能高效地转化为电能，且具备电压高、能量密度大、自放电小、使用寿命长等诸多优点。当前，锂离子电池研究的热点之一是开发兼具高能量密度和高安全性的电极材料。尖晶石型铁氧体材料作为锂离子电池的负极材料，展现出了卓越潜力。研究显示，尖晶石的结构类型与其性能紧密相关。为了深入探索这种关联，研究者们从不同类型的尖晶石结构优化出发，运用第一性原理计算其电子结构与电化学性能，为其在锂离子电池中的应用提供了参考。然而，目前大多数理论计算在研究时都直接设定了尖晶石的结构类型，未曾尝试通过理论计算来鉴定其结构。此外，关于尖晶石型铁氧体的尖晶石类型对其电化学性能的具体影响，仍有待进一步的研究和探讨。 针对上述问题，本论文利用第一性原理计算鉴别了尖晶石型铁氧体结构类型；利用静电纺丝技术，制备了系列正尖晶石ZnFe2O4、混合尖晶石MgFe2O4和反尖晶石CoFe2O4纳米纤维；利用多种表征手段探究了其形貌、结构、微观结构和电化学性能。主要研究内容及结果如下： （1）利用第一性原理计算了尖晶石型铁氧体的热力学行为和电子结构特征，通过分析热力学稳定性和电子结构特征鉴别了铁氧体的尖晶石类型。研究发现，热力学计算能够预测所研究尖晶石型铁氧体的尖晶石类型，但混合尖晶石计算得出的反转度和实验获得的存在差异。电子结构分析发现，当M原子和铁原子处于八面体位置时，Jahn-Teller效应比其位于四面体位置时更强。对于所研究的尖晶石型铁氧体，EF附近的态密度主要来自M原子和铁原子或仅来自于铁原子，而费米能级（EF）附近的O态密度较低。铁原子和M原子之间的强相互作用可作为判定混合或反尖晶石类型的准则；而这两者之间弱相互作用或无相互作用可作为判定正尖晶石类型的准则。 （2）利用静电纺丝技术结合退火工艺，采用Fe(acac)3作为铁源，制备出不同尖晶石类型的铁氧体纳米纤维，包括正尖晶石ZnFe2O4、混合尖晶石MgFe2O4和反尖晶石CoFe2O4，并探究了尖晶石类型对其微观结构及电化学性能的影响。研究发现，由于尖晶石类型不同，正尖晶石ZnFe2O4的储锂机制为转化反应和合金化反应，而混合尖晶石MgFe2O4和CoFe2O4的储锂机制主要为转化反应。正尖晶石ZnFe2O4具有最高的比容量，循环后的比容量依然有885.1mAhg-1，并且电荷转移阻抗Rct最小，为44Ω，电化学性能优于混合尖晶石MgFe2O4和反尖晶石CoFe2O4。而混合尖晶石MgFe2O4电化学性能仅次于正尖晶石ZnFe2O4并且锂离子扩散能力最强，这是由于混合尖晶石MgFe2O4的比表面积最大，为Li+的运输提供了通道，反尖晶石CoFe2O4的电化学性能最弱。 （3）利用静电纺丝技术结合退火工艺，采用Fe(acac)2和Fe(acac)3作为不同价态的铁源（Fe2+/Fe3+），制备系列尖晶石型铁氧体（ZnFe2O4、MgFe2O4和CoFe2O4）纳米纤维，探究了铁源的不同价态对纤维的形貌、微观结构及其电化学性能的影响。研究发现，与采用Fe(acac)2作为铁源制备的纳米纤维相比，采用Fe(acac)3作为铁源制备的纳米纤维表面孔洞更多，因此其比表面积更大，这一特性使其电化学性能更为优异。
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