靜電紡絲法制備柔性鋰離子電池負(fù)極材料及其性能研究.pdf

1、輕、薄、柔性化是便攜電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的鋰離子電池因其質(zhì)量重和不可彎折等缺點(diǎn)已經(jīng)無法滿足柔性電子設(shè)備對(duì)儲(chǔ)能器件的要求。研制出更輕更薄且具有優(yōu)異可彎曲性能，同時(shí)具備高比功率、高能量密度、卓越的倍率性能的鋰離子電池迫在眉睫。電極作為鋰離子電池的重要組成部分，柔性電極材料的開發(fā)成為柔性儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，柔性電極材料研究中遇到的瓶頸問題，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1）材料制備效率太低；2）電池的電化學(xué)性能仍未達(dá)到傳統(tǒng)鋰離子電

2、池水平，無法滿足實(shí)際使用的需要。針對(duì)上述問題，本論文開創(chuàng)性地提出將靜電紡絲技術(shù)和高溫煅燒工藝兩種方法相結(jié)合來制備柔性鋰離子電池電極材料，不僅大大提高材料的制備效率，而且獲得了具有優(yōu)異電化學(xué)性能和良好彎曲性能的柔性鋰離子電池負(fù)極材料。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　一、MoO2/C復(fù)合納米纖維負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究
　　利用高壓靜電紡絲技術(shù)同時(shí)結(jié)合高溫煅燒工藝制備具有柔性的MoO2/C復(fù)合納米纖維負(fù)極材料。該負(fù)極材料將柔性、碳

3、包覆和納米化等特點(diǎn)很好地結(jié)合在一起，有效地提高了材料的導(dǎo)電性能和柔性，獲得了良好電化學(xué)性能的柔性負(fù)極材料，為負(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。在該負(fù)極材料中，1）纖維中的碳基體在電極中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高電子的傳輸效率；2）MoO2顆粒呈納米級(jí)均勻分散在碳基體中，促進(jìn)電子/離子的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)MoO2的儲(chǔ)鋰機(jī)理向轉(zhuǎn)換反應(yīng)機(jī)制轉(zhuǎn)變，有效提高電池的比容量；3）納米纖維網(wǎng)絡(luò)的空隙，為充放電過程中MoO2較大的體積變化，提供足夠的緩沖空間，維持電極材料

4、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提高循環(huán)穩(wěn)定性。本論文還首次對(duì)這種納米結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。此外，該負(fù)極材料的一體化設(shè)計(jì)思路，無需任何粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑，有效提高了活性物質(zhì)的含量。
　　二、MWCNTs@MoO2/C復(fù)合納米纖維負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究
　　為進(jìn)一步提高材料的柔性和電化學(xué)性能，將MWCNTs引入到復(fù)合材料體系中，利用靜電紡絲技術(shù)和高溫煅燒工藝制備具有柔性的MWCNTs@ MoO2/C復(fù)合納米纖維負(fù)極材料。該負(fù)極材料將多壁碳納

5、米管、MoO2和碳三者結(jié)合在一起，多壁碳納米管充當(dāng)芯，MoO2/C的復(fù)合物充當(dāng)外殼，形成新型的“納米電纜”結(jié)構(gòu)。多壁碳納米管因其高的導(dǎo)電性和優(yōu)異的機(jī)械柔韌性能，不僅提高了電極材料的導(dǎo)電性能，而且使得材料的柔韌性能得到了增強(qiáng)，同時(shí)提高鋰離子的擴(kuò)散速率和電極材料的利用效率。在保證材料柔性的前提下，通過控制高溫煅燒工藝的條件，我們獲得了活性物質(zhì)MoO2負(fù)載量更高的負(fù)極材料，進(jìn)一步提高了電池的比容量。當(dāng)MWCNTs相對(duì)于聚乙烯醇的含量為4％時(shí)，

6、在50mA/g的電流密度下充放電30個(gè)循環(huán)后，電池比容量仍有832.2mAh/g，較第二次充放電循環(huán)時(shí)的比容量基本沒有變化，體現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　三、石墨烯對(duì)MoO2/C復(fù)合納米纖維負(fù)極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能影響的初步探索
　　石墨烯作為一種新型的納米碳材料，具有很高的電子遷移率和優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)。我們將氧化石墨烯引入到紡絲纖維中，控制在還原氣氛下的高溫煅燒條件，不僅得到MoO2納米顆粒，同時(shí)將氧化石墨烯進(jìn)行部分還原，得