氫氣泡模板電沉積3D-多孔Ni-NiO薄膜及其脫嵌鋰性能的研究.pdf

1、隨著筆記本電腦、數(shù)碼產(chǎn)品、通訊設(shè)備的普及更新?lián)Q代及市場對(duì)動(dòng)力電池這一新型綠色能源的強(qiáng)大需求,促使人們開發(fā)新一代鋰離子電池。新一代鋰離子電池應(yīng)具備:高容量、高功率、高安全性及長壽命等特點(diǎn)。新一代鋰離子電池的發(fā)展依賴于電極材料的創(chuàng)新,尤其需要進(jìn)一步提高電極材料容量、循環(huán)、倍率性能及安全可靠性。目前商用的負(fù)極材料主要是石墨、焦炭等碳材料,其容量低、倍率及安全性差等已無法滿足新一代鋰離子電池對(duì)高性能負(fù)極材料的要求。NiO作為一種典型的3d-過渡

2、金屬氧化物負(fù)極材料,具有容量高(718mAh·g-1)、安全性好、來源廣泛等特點(diǎn),是目前過渡金屬負(fù)極材料的研究前沿及熱點(diǎn)領(lǐng)域。
　　本文針對(duì)NiO負(fù)極材料中存在首次庫倫效率低和循環(huán)及倍率性能差的問題,采用氫氣泡模板電沉積法構(gòu)筑3D-多孔Ni/NiO薄膜,并將其用于鋰離子電池負(fù)極材料的研究。實(shí)驗(yàn)中以不銹鋼作為基底,控制實(shí)驗(yàn)條件,在電沉積金屬Ni薄膜的同時(shí),利用高陰極極化下原位生成的氫氣泡為模板,構(gòu)筑3D-多孔Ni薄膜。分別對(duì)NiCl

3、2、NH4Cl的濃度、電流密度、沉積時(shí)間及加入添加劑等諸多合成條件對(duì)孔及孔壁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了深入研究。經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,確定了最佳的試驗(yàn)條件:主鹽濃度NiCl20.02mol·L-1、NH4Cl1mol·L-1,電流密度4A·cm-2,沉積時(shí)間20s,制備的3D-多孔Ni薄膜具有良好的結(jié)構(gòu),孔徑范圍在10-20μm,孔壁顆粒分散性好,平均晶粒尺寸0.5-2μm,薄膜厚度約為3-5μm。
　　在上述獲得3D-多孔Ni合成條件與薄膜結(jié)構(gòu)影響

4、規(guī)律的基礎(chǔ)上,對(duì)制備的3D-多孔Ni薄膜進(jìn)行高溫氧化處理,構(gòu)筑3D-多孔Ni/NiO薄膜。對(duì)氧化溫度和氧化時(shí)間對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究,熱處理溫度低于400°C時(shí)金屬Ni的氧化反應(yīng)不充分,熱處理溫度過高(600℃)會(huì)使多孔薄膜孔壁顆粒團(tuán)聚在一起不利于形成高比表面積的結(jié)構(gòu),經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,燒結(jié)制度為450°C時(shí)間2h時(shí),所構(gòu)筑的3D-多孔Ni/NiO薄膜結(jié)構(gòu)展示出了最佳的電化學(xué)性能。此時(shí)所得到的孔道相互連通,孔壁顆粒分散較好,主孔存在的同時(shí)

5、,顆粒間的堆垛還形成不同等級(jí)的孔,且對(duì)薄膜的氧化是部分氧化,孔壁顆粒是由外部是NiO殼層內(nèi)部是金屬Ni的交聯(lián)狀結(jié)構(gòu)。組裝電池,初始容量為659mAh·g-1電池在1C條件下經(jīng)100次循環(huán)容量增長至763mAh·g-1,20C時(shí)仍能保持在675mAh·g-1以上。通過對(duì)其物理結(jié)構(gòu)核電化學(xué)特性的深入分析,其優(yōu)異的性能一方面歸結(jié)于構(gòu)筑的3D-多孔結(jié)構(gòu)具有較高的比表面積,能夠顯著地增大電極與電解液之間的有效接觸面積,使反應(yīng)活性位點(diǎn)增多,并且多孔