氧化銅自支撐3D微納米電極的構(gòu)筑與儲(chǔ)鋰性能研究.pdf

1、氧化銅(CuO)作為一種重要的過渡金屬氧化物,表現(xiàn)出很高的可逆容量,是一種很有前景的應(yīng)用于電動(dòng)車、混合電動(dòng)車領(lǐng)域的鋰離子電池陽極材料。為了滿足電動(dòng)車用鋰離子電池對(duì)功率密度和能量密度的需求,毫無疑問,必須大力改進(jìn)CuO的高倍率能力與循環(huán)性能。基于CuO的電子導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和鋰離子在電極材料中的擴(kuò)散長(zhǎng)度的考慮,本論文設(shè)計(jì)出四種由直接生長(zhǎng)在導(dǎo)電基底(Cu、Ni和不銹鋼)上的微納米結(jié)構(gòu)及負(fù)載在微納米結(jié)構(gòu)上的活性材料組成的自支撐三維(thre

2、e dimension,3D)微納米電極(3DMNEs)。
　　采用氨蒸發(fā)相腐蝕路線,制備了一種直接生長(zhǎng)在紫銅帶基底上的CuO介孔納米片團(tuán)簇陣列(CuO MNCAs)電極?？刂瓢彼臐舛群桶闭舭l(fā)腐蝕的時(shí)間,可以制備出不同厚度的CuO MNCAs。CuO MNCAs具有很高的比表面積(35.82 m2 g-1),直接用作鋰離子電池陽極,表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。厚約0.8μm的CuO MNCAs在10C倍率下的放電容量高達(dá)548.8 m

3、Ah g-1,為CuO理論容量的81.3％,隨著 CuO MNCAs厚度的增加,CuO與紫銅帶基底的粘結(jié)力變差,倍率性能逐漸降低。
　　采用氨蒸發(fā)相腐蝕路線,構(gòu)造出一種直接生長(zhǎng)在商用銅箔基底上的CuO分等級(jí)介孔納米片自組裝齒輪狀圓柱陣列(CuO HMNGPAs)電極。改變氨蒸發(fā)相腐蝕的溫度、濃度和時(shí)間,CuO HMNGPAs可以轉(zhuǎn)化成微米塊和納米片結(jié)構(gòu)。CuO HMNGPAs具有很高的比表面積(30.47 m2 g-1),大量的孔

4、徑為3-10 nm的介孔結(jié)構(gòu)。直接用作鋰離子電池陽極,微米塊體結(jié)構(gòu)和納米片結(jié)構(gòu)CuO的可逆容量迅速衰減,CuO HMNGPAs在0.5C充放電循環(huán)100次后的放電容量達(dá)651.6 mAh g-1,10C倍率下放電容量達(dá)561.6 mAh g-1,為CuO理論容量的83.3%。
　　采用陽極極化路線,設(shè)計(jì)出一種直接生長(zhǎng)在紫銅帶基底上的具有高倍率儲(chǔ)鋰性能的CuO松針狀陣列電極。控制實(shí)驗(yàn)條件,松針狀陣列CuO可以轉(zhuǎn)化成納米針陣列和分散型

5、松針結(jié)構(gòu) CuO。直接用作鋰離子電池陽極,松針狀陣列、納米針陣列和分散型松針結(jié)構(gòu) CuO都表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。其倍率儲(chǔ)鋰性能關(guān)系為:松針狀陣列 CuO>納米針陣列 CuO>分散型松針結(jié)構(gòu) CuO。在10C、15C和20C倍率下充放電時(shí),松針狀陣列CuO的放電容量為577.1、545.9和492.2 mAh g-1,其中10C倍率容量為理論容量85.6%。2C循環(huán)100次后,松針狀陣列CuO的容量保持為583.1 mAh g-1。

6、>　　基于微納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和過渡金屬氧化物的儲(chǔ)鋰特性,設(shè)計(jì)了一種高倍率儲(chǔ)鋰性能的3D多孔微納米結(jié)構(gòu)金屬/金屬氧化物電極。采用氫氣泡動(dòng)態(tài)模板路線,在不銹鋼基底上直接構(gòu)造出3D多孔微納米結(jié)構(gòu)交聯(lián)狀(PMNI)Cu/Cu2O電極。用作鋰離子電池陽極,在10C、15C和20C倍率充放電下,3D PMNI Cu/Cu2O的可逆容量分別為327.4、321.3和312.8 mAh g-1,10C、15C和20C倍率下可逆容量分別為Cu2O理論容量(

7、375.0 mAh g-1)的87.3%、85.7%和83.4%。采用氨誘導(dǎo)路線,在3D泡沫鎳基底上生長(zhǎng)出3D泡沫鎳基納米多孔NiO。在10C倍率充放電下,3D泡沫鎳基納米多孔NiO的可逆容量達(dá)280 mAh g-1。
　　這類3DMNEs由納米片與介孔組合,納米針自組裝、納米顆粒與多孔結(jié)構(gòu)組合而成,綜合了微米、納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),展現(xiàn)出依次增強(qiáng)的、超高的倍率循環(huán)性能。其原因是:第一,3DMNEs中的CuO微納米結(jié)構(gòu)直接與Cu基底相連