高功率柔性鋰離子電池電極材料的制備及其性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于各類便攜式電子產(chǎn)品。隨著柔性/可折疊電子器件的發(fā)展，開發(fā)具有彎折穩(wěn)定性的柔性鋰離子電池已成為目前儲能領(lǐng)域研究的前沿之一。為了滿足柔性電子器件待機(jī)時間長、充電時間短等特性，要求柔性儲能器件具有高能量密度和功率密度（即可快速充電性能）。但目前報道的柔性鋰離子電池的電化學(xué)性能，尤其是快速充放電性能，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到傳統(tǒng)鋰離子電池的水平，很難滿足實際應(yīng)

2、用的需求。鋰離子電池的快速充電性能取決于鋰離子和電子在電極材料表面和體相的傳輸速度，采用納米材料可改善鋰離子和電子在電極表面及內(nèi)部的傳輸，減小鋰離子和電子在電極內(nèi)部傳輸?shù)穆窂?，對于柔性電極材料也同樣適用。本論文主要通過納米電極材料的制備、組裝及提出新型電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，獲得了具有高功率性能和優(yōu)良彎折穩(wěn)定性的柔性鋰離子電池電極材料和全電池。
　　 一、柔性一體化鈦酸鋰電極:
　　 提出了直接利用活性物質(zhì)納米片之間相互搭接及表面

3、氮摻雜炭包覆來制備一體化柔性鈦酸鋰電極的思路。該電極將炭包覆、納米化、柔性和一體化設(shè)計很好地結(jié)合在一起，極大改善了電極的導(dǎo)電性和鋰離子的擴(kuò)散動力學(xué)，因此獲得了具有快速充放電性能和良好循環(huán)穩(wěn)定性的柔性電極，為柔性鋰離子電池電極的設(shè)計提供了新的思路。一體化柔性鈦酸鋰電極通過將氮摻雜炭包覆的超薄鈦酸鋰納米片進(jìn)行真空抽濾制備，納米片表面氮摻雜炭層在整個電極中可形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，加快電子傳輸;豐富的孔結(jié)構(gòu)有利于電解液的擴(kuò)散，可加速鋰離子擴(kuò)散到電極表面

4、。另一方面，一體化電極設(shè)計，無粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等非活性物質(zhì)，提高了活性物質(zhì)利用率。與其它鈦酸鋰電極材料相比，一體化鈦酸鋰電極材料具有更優(yōu)異的快速充放電性能和循環(huán)壽命，可在較短時間內(nèi)(30s)完成充電。
　　 二、嵌鋰各向異性二氧化鈦/石墨烯柔性電極:
　　 根據(jù)鋰離子在電極材料表面嵌入和體相擴(kuò)散具有各向異性的特點，提出了嵌鋰各向異性電極的概念。設(shè)計并制備出具有嵌鋰各向異性二氧化鈦/石墨烯柔性電極材料，可更充分地利用電極材料

5、中有利于鋰離子擴(kuò)散的晶面來提高電極中鋰離子的擴(kuò)散動力學(xué)，從而獲得了具有快速充放電性能和良好循環(huán)穩(wěn)定性的柔性電極。
　　 嵌鋰各向異性二氧化鈦/石墨烯柔性電極的特點是二氧化鈦(001)晶面幾乎全部平行于石墨烯集流體，垂直于鋰離子在電場中的擴(kuò)散方向，因此該電極具有鋰離子擴(kuò)散各向異性，而提高了鋰離子的擴(kuò)散動力學(xué)過程。對嵌鋰各向異性二氧化鈦/石墨烯柔性電極的電化學(xué)性能研究表明，該電極具有快速充放電特性，可在幾十秒內(nèi)完成充放電，并具有較高

6、的比容量。在100C倍率條件下（30 s內(nèi)完成充放電）可獲得111 mAh/g的比容量。在10C的倍率條件下，100次循環(huán)后，比容量相對于初始比容量僅衰減2％，這些結(jié)果均遠(yuǎn)優(yōu)于嵌鋰各向同性二氧化鈦/石墨烯柔性電極。對比實驗研究表明，嵌鋰各向異性電極的設(shè)計使鋰離子在電場的作用下，更容易沿著[001]軸向嵌入;納米片本身具有擴(kuò)散距離短的優(yōu)點，可縮短鋰離子的擴(kuò)散時間;直接生長在石墨烯片層上的二氧化鈦納米片有利于電子傳導(dǎo)。
　　 三、石

7、墨烯基柔性鋰離子全電池:
　　 提出并設(shè)計了一種柔性鋰離子全電池，采用具有三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫取代了傳統(tǒng)金屬集流體，實現(xiàn)了集流體與活性物質(zhì)一體化設(shè)計，有效降低了電極中非活性物質(zhì)的比例。由于三維石墨烯泡沫高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)，為鋰離子和電子提供了快速擴(kuò)散通道，實現(xiàn)了柔性全電池在彎折狀態(tài)下快速充放電。
　　 采用水熱合成方法，在石墨烯泡沫表面上直接生長活性物質(zhì)-磷酸亞鐵鋰和鈦酸鋰，獲得了柔性磷酸亞鐵鋰/石墨烯泡沫和鈦酸