靜電紡絲合成復(fù)合納米材料及儲(chǔ)鋰研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石燃料（煤、石油、天然氣等）儲(chǔ)量的逐漸減少，環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，許多綠色能源應(yīng)運(yùn)而生（例如太陽能、氫能、潮汐能）。鋰離子電池儲(chǔ)能設(shè)備因?yàn)槠涓吣芰棵芏取?yōu)異的安全穩(wěn)定性、較長的使用壽命以及更短的充電時(shí)間，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、純電動(dòng)或混合動(dòng)力電動(dòng)車輛等設(shè)備中。目前的商業(yè)化石墨負(fù)極材料，其6個(gè)碳原子結(jié)合1個(gè)鋰原子，理論容量只能達(dá)到372mAh g-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電動(dòng)汽車等大型儲(chǔ)能設(shè)備的要求。因此，探尋新型的具有高容量、高

2、倍率性能、良好循環(huán)壽命的鋰離子電池負(fù)極材料以取代石墨電極成為科研工作者的一大挑戰(zhàn)。研究表明，大量鋰離子電池負(fù)極材料比如Sn、SnO2、Si、Ge、Co3O4、MoO3、Fe3O4、Fe2O3、NiO等等因?yàn)槠涓呃碚撊萘勘粡V泛的研究。然而，較差的循環(huán)穩(wěn)定性、不良的導(dǎo)電性等問題阻礙了它們的工業(yè)生產(chǎn)。靜電紡絲是一種制備一維材料（比如納米纖維和納米管）簡(jiǎn)單且有效的方法，在過去的二十年中被廣泛的研究。在本論文中，我們結(jié)合靜電紡絲、溶劑蒸發(fā)等方法簡(jiǎn)

3、單、可重復(fù)的制備新型高容量、高倍率性能和優(yōu)異循環(huán)性能的鋰離子電池負(fù)極材料，主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）在第2章中，我們結(jié)合靜電紡絲和溶劑蒸發(fā)法制備了SnOx@碳纖維@石墨烯復(fù)合物（SnOx@C@G）。由形貌表征可知，超微SnOx顆粒均勻的分布于碳纖維內(nèi)部。同時(shí)，SnOx@碳纖維復(fù)合物均勻的嵌入石墨烯層與層之間。這種雙重保護(hù)策略能夠有效的防止SnOx顆粒的團(tuán)聚及電化學(xué)過程中的體積膨脹。與純SnO2納米纖維和SnOx@碳纖維相比

4、，展現(xiàn)出更優(yōu)異的電化學(xué)性能。在70mA g-1的電流密度下，首次放電容量為1345.6mAh g-1，庫侖效率為62.3%。在同樣電流密度下經(jīng)過180次循環(huán)后，SnOx@C@G復(fù)合物電極還可以展現(xiàn)出504.0mAh g-1的可逆容量。而單純的SnO2納米纖維和SnOx@碳纖維在100個(gè)循環(huán)后，分別展現(xiàn)出129.1和400.5mAh g-1的放電容量。石墨烯和碳雙重保護(hù)策略大大提高了電極的電子傳導(dǎo)速率，從而成就了SnOx@C@G復(fù)合電極優(yōu)

5、異的倍率性能。
　?。?）利用簡(jiǎn)單的靜電紡絲方法制備SnO2@石墨烯復(fù)合材料（SnO2@G）。然后，采用溶劑蒸發(fā)法合成了新型SnO2@石墨烯@石墨烯（SnO2@G@G）電極材料。對(duì)于SnO2@G復(fù)合材料，石墨烯納米片均勻的嵌入SnO2@G納米纖維中，保證了SnO2@G納米纖維足夠的電子導(dǎo)通能力。即使SnO2@G納米纖維結(jié)構(gòu)坍塌，SnO2@G@G外層石墨烯也能起到第二重保護(hù)的效果，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。電化學(xué)表征結(jié)果顯示，該SnO2

6、@G@G電極展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在80mA g-1的電流密度下連續(xù)循環(huán)20、50、100和120循環(huán)后，還分別具有649.0、628.9、605.0和591.9mAh g-1的可逆容量。
　?。?）利用顆粒尺寸2納米以下的金顆粒的熔點(diǎn)小于400攝氏度的特性，簡(jiǎn)單、可重復(fù)的制備了NiCo2O4@Au納米管。據(jù)我們猜測(cè)，顆粒尺寸等于或小于2納米，在處理溫度450攝氏度條件下，金顆粒會(huì)熔化并重新滲透進(jìn)納米管的介孔中。這些金納米顆粒不

7、但能起到一個(gè)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)形成一個(gè)三維粘附中心，保證電化學(xué)循環(huán)過程中電極材料的穩(wěn)定性。由于較大的比表面積、特殊的介孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性以及NiCo2O4和金顆粒之間特殊的結(jié)合，該電極表現(xiàn)出長壽命、良好的倍率等優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能。在100mA g-1的電流密度下經(jīng)過200次循環(huán)，該電極可逆容量保持為732.5mAh g-1。
　?。?）利用改進(jìn)的靜電紡絲設(shè)備制備超長排列的In2O3@碳柔性薄膜（In2O3@FUACNFFs），并制備

8、柔性無粘結(jié)劑的半電池和全電池。該新型電紡技術(shù)已被證明能夠有效的大量生產(chǎn)高性能鋰離子電池負(fù)極材料。In2O3@FUACNFFs材料可以確保優(yōu)異的電荷傳輸、電解質(zhì)運(yùn)輸和機(jī)械性能，從而獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能和柔韌性，是一種有前景的下一代柔性鋰離子電池負(fù)極材料。此外，柔性全電池表現(xiàn)出了良好的耐用性（所制備的柔性全電池的電化學(xué)性能幾乎不受到反復(fù)折疊的影響），優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（從第17個(gè)循環(huán)開始，可逆容量幾乎保持100%）和優(yōu)異的倍率性能（在1000

9、mA g-1的電流密度下，全電池負(fù)極的可逆容量可以達(dá)到321.4mAh g-1）。
　?。?）我們制備了一種硅體積膨脹空間能夠原子尺度控制的三維柔性硅/石墨烯/碳納米纖維（FSiGCNFs），并應(yīng)用于柔性無粘結(jié)劑鋰離子電池。FSiGCNFs具有精確且可控的膨脹空間，能夠克服在充放電期間由Si納米顆粒的體積膨脹引起的形貌破壞。三維多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯/碳纖維主體結(jié)構(gòu)不僅能將大多數(shù)固態(tài)電解質(zhì)限制到碳纖維外表面，而不是在單個(gè)硅納米球的表面上