基于金屬氧化物的三維復合電極儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池是通過鋰離子在正負極中的嵌入脫出來實現(xiàn)電化學存儲的一種能源存儲器件，已經(jīng)被廣泛的應用在我們生活中的各個領(lǐng)域。隨著應用領(lǐng)域的擴展，未來鋰離子電池對電池電極材料的選擇、電極結(jié)構(gòu)的設計以及器件獨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)的設計以及能源集成器件的設計等角度出發(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)的設計方面，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)實現(xiàn) SnO2/碳布鋰離子電池對SnO2布紫外光探測器的驅(qū)動。
　　本研究從納米結(jié)構(gòu)材料易團聚的角度出發(fā)，采用單一的反應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)的團聚問題。通過對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而具有更優(yōu)異的儲鋰性能。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)的碳布表面生長出 Co3O4納米片陣列。由 Co3O4納

4、米片陣列/碳布組成的三維復合電極可以直接將導電性比較好的碳布作為集流體進行電池的封裝，簡化了電極的制備過程，并且碳布還為電子提供了一個三維傳輸通道提高了電極的儲鋰性能。Co3O4三維復合電極在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)、相差無幾

5、的晶格常數(shù)以及相同的陽離子價態(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)異的儲鋰性能和Mn氧化物較低的電壓平臺，兩種金屬陽離子的協(xié)同作用使得 MnCo2O4在特定的電壓測試區(qū)間具有更優(yōu)異的全電池性能。此外，MnCo2O4三維復合電極優(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以及基底碳布實現(xiàn)了柔性鋰離子電池和柔性光探測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納米顆粒的團聚；在光探測器中，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器電極相連，形成自驅(qū)動的能源集成器件，進行光探測的測試。為了提高SnO2納米顆粒在鋰離子電池中的循環(huán)穩(wěn)定性