基于三維復合電極的新型能源存儲器件的研究.pdf

1、未來電子器件的主要發(fā)展趨勢是柔性化、便攜化、微型化，這就需要新型的高性能能源存儲器件作為電源來驅(qū)動它們。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。針對以上問題，本論文的主要內(nèi)容是基于三維復合電極的新型能源存儲器件的創(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/碳布三維復合電極，并且對樣品的晶體結(jié)構(gòu)和形貌等進行表征。進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行各項電池器件測試。測試結(jié)果顯示：在長達160次充放電循環(huán)中，該復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遠高于現(xiàn)有的碳負極(372mAhg-1)。在反復彎折(120次)柔性電池的過程中，其比電容量未受到任何影響

3、。為了驗證柔性電池的實用性，我們已成功利用其驅(qū)動了LED燈、手機顯示屏和掌上游戲機，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。
　　(2)基于ZnCo2O4海膽狀納米結(jié)構(gòu)/碳纖維三維復合電極的柔性鋰離子電池：基于工作(1)，調(diào)節(jié)實驗參數(shù)，利用水熱條件合成 ZnCo2O4海膽狀納米材料/碳纖維三維復合電極。封裝電池后進行測試，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18 A g-1的電流密度下，經(jīng)過100次循環(huán)，測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)于已報道的其他ZnCo2O4材料電極。實驗結(jié)果表明，具有新穎三維結(jié)構(gòu)的ZnCo2O4/碳纖維復合電極呈現(xiàn)出明顯的電化學優(yōu)勢，對于提高電池性能具有重要作用。而且，基于ZnCo2O4材料負極的柔性電池也保證了良好的電化學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/碳布三維復合電極的柔性鋰離子電池：通過化學氣相沉積法制備出高純度的Si納米線，之后用簡易的噴涂法將Si納米線溶液噴涂在高柔性的碳布上，制備成 Si納米線/碳布三維復合電極。對這些樣品進行晶體和形貌表征，分別將其封裝入扣式和柔性電池中進行電池測試。該三維復合電極具有高的可逆比容量(2950mAhg-1)，穩(wěn)定的循

6、環(huán)性(長達200次)和增強的倍率性。而且，基于Si納米線/碳布三維復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。通過此三維復合電極構(gòu)建的柔性鋰離子電池的各項電池性能良好，這為采用高性能的Si材料替代當前低容量的石墨負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/碳線三維復合電極的線狀超級電容器：采用水熱法合成出 Mn2O3立方體陣列/碳線三維復

7、合電極，并且對樣品進行了晶體和形貌表征以及電容器性能測試。這些三維線狀復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91％、93％和94％。實驗數(shù)據(jù)顯示，環(huán)型線狀超級電容器電容量分別超出直線型線狀超級電容器和曲線型線狀超級電容器電容量的100％和83％。環(huán)型線狀超級電容器的性能最優(yōu)歸因于環(huán)形電極間產(chǎn)生的協(xié)同增強的電容性效應。此外，該項工作闡明了不同電極長度和間距對三種線

8、狀超級電容器性能影響的研究。并我們首次引入了對這些線狀能源存儲器件的模擬計算，模擬結(jié)果與實驗結(jié)論相一致。該項工作揭示出可以通過改變微型器件電極的集成方式來實現(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。此外，采用水熱法成功制備出ZnCo2O4納米線陣列/碳線三維復合電極，并將這些電極以平面集成的方式構(gòu)建出柔性線狀超級電容器。
　　(5)基于 WSe2納米線/鎢箔三維復合電極的新型鎂離子電池：采用化學氣相沉積法制備出WSe2納

9、米線/鎢箔三維復合電極，并且對樣品進行晶體和形貌表征以及鎂離子電池性能測試。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)新型WSe2/鎢箔三維復合正極的比容量高達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。在相對較高的電流密度(800mAg-1)下，電極的比容量依然可以達到142mAhg-1，電容量剩余率高達83.5％，顯示該三維復合電極具有高效的Mg2+嵌入脫出活性、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、增強的電容量值和優(yōu)越的