基于金屬氧化物的三維復(fù)合電極儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池是通過鋰離子在正負(fù)極中的嵌入脫出來實(shí)現(xiàn)電化學(xué)存儲(chǔ)的一種能源存儲(chǔ)器件，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，未來鋰離子電池對(duì)電池電極材料的選擇、電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及器件獨(dú)特性等方面都提出了更高的要求，因此尋求具有高比容量的電極材料、優(yōu)異電池性能的電極結(jié)構(gòu)以及具有柔性可穿著等特性的能源器件、能源集成器件成為未來電池的重要發(fā)展方向。本文從電極材料的選擇、電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及能源集成器件的設(shè)計(jì)等角度出發(fā)，旨在制備出高

2、性能的鋰離子電池。在電極材料的選擇方面，選擇具有高理論比容量的 SnO2和Co3O4；在電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，采用具有三維布狀結(jié)構(gòu)的碳布作為集流體形成一種三維復(fù)合電極結(jié)構(gòu)；在能源集成器件方面，采用具有多種性質(zhì)的SnO2作為活性物質(zhì)實(shí)現(xiàn) SnO2/碳布鋰離子電池對(duì)SnO2布紫外光探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)。
　　本研究從納米結(jié)構(gòu)材料易團(tuán)聚的角度出發(fā)，采用單一的反應(yīng)物成功的制備出納米片組裝的Co3O4微米球，微米球充分利用了納米結(jié)構(gòu)高的電化學(xué)性能以及

3、微米結(jié)構(gòu)在一定程度上緩解了納米結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚問題。通過對(duì)納米顆粒和納米片組裝微米球的比較，得出納米片具有更高的比表面進(jìn)而具有更優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。納米片組裝的微米球制備的電極在100 mA/g的電流密度下循環(huán)50次之后依然具有1000 mAh/g的容量保持，在500 mA/g的電流密度下循環(huán)80次之后依然具有850 mAh/g的容量。采用與上述微米球制備同樣的方法，成功的在具有三維布狀結(jié)構(gòu)的碳布表面生長(zhǎng)出 Co3O4納米片陣列。由 Co3O4納

4、米片陣列/碳布組成的三維復(fù)合電極可以直接將導(dǎo)電性比較好的碳布作為集流體進(jìn)行電池的封裝，簡(jiǎn)化了電極的制備過程，并且碳布還為電子提供了一個(gè)三維傳輸通道提高了電極的儲(chǔ)鋰性能。Co3O4三維復(fù)合電極在800μA/cm2的電流密度下循環(huán)60次之后依然具有3.5 mAh/cm2的面積容量和優(yōu)異的倍率性能。通過采用兩種金屬離子的鹽溶液，成功的在碳布表面生長(zhǎng)出具有同樣微觀形貌納米片的MnCo2O4。MnCo2O4與Co3O4具有相同的晶體結(jié)構(gòu)、相差無(wú)幾

5、的晶格常數(shù)以及相同的陽(yáng)離子價(jià)態(tài)，因此 MnCo2O4可以看做是晶格中1/3金屬離子位置被 Mn所取代的Co3O4。MnCo2O4集合了Co氧化物優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能和Mn氧化物較低的電壓平臺(tái)，兩種金屬陽(yáng)離子的協(xié)同作用使得 MnCo2O4在特定的電壓測(cè)試區(qū)間具有更優(yōu)異的全電池性能。此外，MnCo2O4三維復(fù)合電極優(yōu)異的鋰離子傳輸性能也沒有受到性能比較差的Mn氧化物的影響。因此通過對(duì)Co3O4中加入一部分的Mn形成MnCo2O4，在一定程度上提高

6、了Co系氧化物在全電池中的性能。使用一種活性材料SnO2以及基底碳布實(shí)現(xiàn)了柔性鋰離子電池和柔性光探測(cè)器兩種柔性器件的制備。在鋰離子電池中，集流體碳布在一定程度上緩解了活性物質(zhì)SnO2納米顆粒的團(tuán)聚；在光探測(cè)器中，SnO2布保留了模板碳布的三維編織狀結(jié)構(gòu)，并且其空心微米管也為光探測(cè)器中的電子提供直接的傳輸通道。布狀的鋰離子電池和光探測(cè)器電極相連，形成自驅(qū)動(dòng)的能源集成器件，進(jìn)行光探測(cè)的測(cè)試。為了提高SnO2納米顆粒在鋰離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性