基于三維復(fù)合電極的新型能源存儲(chǔ)器件的研究.pdf

1、未來電子器件的主要發(fā)展趨勢(shì)是柔性化、便攜化、微型化，這就需要新型的高性能能源存儲(chǔ)器件作為電源來驅(qū)動(dòng)它們。但是，現(xiàn)有的電池存在著諸多缺陷，例如：笨重、不可彎折、價(jià)格昂貴、功率/能量密度偏低、微型化和集成化較差等，阻礙了新一代電子器件的發(fā)展。針對(duì)以上問題，本論文的主要內(nèi)容是基于三維復(fù)合電極的新型能源存儲(chǔ)器件的創(chuàng)新性研究，主要涵蓋的工作有：
　　(1)基于ZnCo2O4納米線陣列/碳布三維復(fù)合電極的柔性鋰離子電池：采用水熱法構(gòu)建出新穎的

2、ZnCo2O4納米線陣列/碳布三維復(fù)合電極，并且對(duì)樣品的晶體結(jié)構(gòu)和形貌等進(jìn)行表征。進(jìn)一步將這種材料分別封裝于扣式和柔性鋰離子電池之中進(jìn)行各項(xiàng)電池器件測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：在長(zhǎng)達(dá)160次充放電循環(huán)中，該復(fù)合電極保持了較高的可逆比容量(1200~1340 mAh g-1)，而且顯示出良好的倍率性能。這說明ZnCo2O4納米線材料的比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的碳負(fù)極(372mAhg-1)。在反復(fù)彎折(120次)柔性電池的過程中，其比電容量未受到任何影響

3、。為了驗(yàn)證柔性電池的實(shí)用性，我們已成功利用其驅(qū)動(dòng)了LED燈、手機(jī)顯示屏和掌上游戲機(jī)，即使在柔性電池彎曲或折疊情況下，這些器件也能夠被其驅(qū)動(dòng)。
　　(2)基于ZnCo2O4海膽狀納米結(jié)構(gòu)/碳纖維三維復(fù)合電極的柔性鋰離子電池：基于工作(1)，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用水熱條件合成 ZnCo2O4海膽狀納米材料/碳纖維三維復(fù)合電極。封裝電池后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示：在100次充放電循環(huán)之后，該電極的比容量依然能夠達(dá)到1180mAhg-1，反映出Zn

4、Co2O4本身具有高比容量特性和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。在高達(dá)18 A g-1的電流密度下，經(jīng)過100次循環(huán)，測(cè)得該電極的可逆比容量為750mAhg-1(為ZnCo2O4材料理論比容量的83.3％)，優(yōu)于已報(bào)道的其他ZnCo2O4材料電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有新穎三維結(jié)構(gòu)的ZnCo2O4/碳纖維復(fù)合電極呈現(xiàn)出明顯的電化學(xué)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提高電池性能具有重要作用。而且，基于ZnCo2O4材料負(fù)極的柔性電池也保證了良好的電化學(xué)性能和不同彎曲狀態(tài)下的高穩(wěn)定

5、性。此外，這些柔性電池可以隨意集成在衣物和旅行背包上，滿足未來電子器件便攜性和可穿著性的需求。
　　(3)基于Si納米線/碳布三維復(fù)合電極的柔性鋰離子電池：通過化學(xué)氣相沉積法制備出高純度的Si納米線，之后用簡(jiǎn)易的噴涂法將Si納米線溶液噴涂在高柔性的碳布上，制備成 Si納米線/碳布三維復(fù)合電極。對(duì)這些樣品進(jìn)行晶體和形貌表征，分別將其封裝入扣式和柔性電池中進(jìn)行電池測(cè)試。該三維復(fù)合電極具有高的可逆比容量(2950mAhg-1)，穩(wěn)定的循

6、環(huán)性(長(zhǎng)達(dá)200次)和增強(qiáng)的倍率性。而且，基于Si納米線/碳布三維復(fù)合電極的高柔性鋰離子電池在外界不同溫度、濕度和彎曲狀態(tài)下均保持其電壓和電容量的穩(wěn)定性。通過此三維復(fù)合電極構(gòu)建的柔性鋰離子電池的各項(xiàng)電池性能良好，這為采用高性能的Si材料替代當(dāng)前低容量的石墨負(fù)極材料提供了可行性。
　　(4)基于Mn2O3立方體陣列/碳線和 ZnCo2O4納米線陣列/碳線三維復(fù)合電極的線狀超級(jí)電容器：采用水熱法合成出 Mn2O3立方體陣列/碳線三維復(fù)

7、合電極，并且對(duì)樣品進(jìn)行了晶體和形貌表征以及電容器性能測(cè)試。這些三維線狀復(fù)合電極首次被排列成直線型、曲線型和環(huán)型這三種線狀超級(jí)電容器模型，經(jīng)過5000次充放電，它們的電容量剩余率分別高達(dá)91％、93％和94％。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，環(huán)型線狀超級(jí)電容器電容量分別超出直線型線狀超級(jí)電容器和曲線型線狀超級(jí)電容器電容量的100％和83％。環(huán)型線狀超級(jí)電容器的性能最優(yōu)歸因于環(huán)形電極間產(chǎn)生的協(xié)同增強(qiáng)的電容性效應(yīng)。此外，該項(xiàng)工作闡明了不同電極長(zhǎng)度和間距對(duì)三種線

8、狀超級(jí)電容器性能影響的研究。并我們首次引入了對(duì)這些線狀能源存儲(chǔ)器件的模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相一致。該項(xiàng)工作揭示出可以通過改變微型器件電極的集成方式來實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化以及器件尺寸小型化和功能最大化的目標(biāo)。此外，采用水熱法成功制備出ZnCo2O4納米線陣列/碳線三維復(fù)合電極，并將這些電極以平面集成的方式構(gòu)建出柔性線狀超級(jí)電容器。
　　(5)基于 WSe2納米線/鎢箔三維復(fù)合電極的新型鎂離子電池：采用化學(xué)氣相沉積法制備出WSe2納

9、米線/鎢箔三維復(fù)合電極，并且對(duì)樣品進(jìn)行晶體和形貌表征以及鎂離子電池性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型WSe2/鎢箔三維復(fù)合正極的比容量高達(dá)203mAhg-1，可以媲美鋰離子電池正極材料。在160次充放電循環(huán)中，鎂離子電池保持了非常好的穩(wěn)定性。在相對(duì)較高的電流密度(800mAg-1)下，電極的比容量依然可以達(dá)到142mAhg-1，電容量剩余率高達(dá)83.5％，顯示該三維復(fù)合電極具有高效的Mg2+嵌入脫出活性、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、增強(qiáng)的電容量值和優(yōu)越的