鈷鐵氧化物納米復(fù)合材料的制備及在（柔性）鋰離子電池負極材料上的應(yīng)用.pdf

1、鋰離子電池因具有高能量密度，小體積，輕質(zhì)量，長循環(huán)壽命，無記憶效應(yīng)和對環(huán)境友好等特點，是不可多得的綠色環(huán)保二次電池。電極材料（正極材料和負極材料）是構(gòu)成鋰離子電池的重要組成部分。過渡金屬氧化物作為鋰離子電池的負極材料也被廣泛研究，與一般的石墨負極材料相比，這些過渡金屬氧化物通過結(jié)構(gòu)設(shè)計而具有許多優(yōu)點，如較高的電容量，廣泛的應(yīng)用性，較好的穩(wěn)定性和對環(huán)境無害等。在這些材料中，鈷、鐵氧化物因為具有高容量、低成本和自然存儲豐富這些特點而備受關(guān)注

2、。然而，鈷鐵氧化物的導(dǎo)電性較差，在循環(huán)過程中存在粉末化的現(xiàn)象，這些容易造成負極材料和集流體的脫離，從而導(dǎo)致鋰離子電池容量衰減較快。因此，通過制備具有不同形貌特征的納米材料、設(shè)計獨特的結(jié)構(gòu)和用導(dǎo)電材料包覆等方法來提高鈷鐵氧化物的電化學(xué)性能，是研究鋰離子電池的熱點之一。
　　作為新一代光電設(shè)備技術(shù)的柔性電子設(shè)備技術(shù)是一項新興的、有潛力的技術(shù)，不同的新型電子設(shè)備，比如可卷曲設(shè)備，智能電子設(shè)備和可穿戴設(shè)備，都受到了廣泛的研究關(guān)注。由于其對

3、高能量密度的要求，而柔性鋰離子電池能夠有效的滿足這個要求。柔性鋰離子電極通常是無粘接劑、無導(dǎo)電劑，由不同的功能有機和（或）無機材料生長在柔性導(dǎo)電基底上組成。為了實現(xiàn)電子設(shè)備的柔性要求，碳基或其他膜基等不同的柔性鋰離子電池電極材料已被廣泛研究。比如，以碳納米管、石墨烯、碳布、導(dǎo)電膜、紡織品、低維納米結(jié)構(gòu)的材料為基底的電極材料已被報道。碳布作為一種新型基底，和其他材料相比具有很多優(yōu)點，包括成本低，導(dǎo)電性好，強度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)異以及耐腐蝕能

4、力強，因此，碳布在不加粘接劑和導(dǎo)電劑的條件下，用作作輕質(zhì)、柔性的集流體，且可應(yīng)用于柔性鋰離子電池的負極材料。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.用溫和的超聲輔助水熱法制備了碳包覆Fe3O4量子點石墨烯復(fù)合材料。SEM和TEM表征證明了碳包覆的Fe3O4納米粒子的直徑在7nm左右并均勻的分散在石墨烯納米片上。該復(fù)合材料重的碳層能有效的減少Fe3O4納米粒子的團聚，并且能夠有效的緩解其體積膨脹，大大提高了Fe3O4納米粒子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

5、此外，該復(fù)合材料的石墨烯納米片為鋰離子和電子的傳輸提供了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計為鋰離子在嵌入與脫嵌過程中，電極材料的結(jié)構(gòu)完整性提供了保證。用其作為鋰離子電池的負極材料，表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和倍率性能，這種復(fù)合材料的首次放電容量為1300mAh g-1，在150 mA g-1的電流密度下循環(huán)100圈之后其容量保持在940 mAh g-1。
　　2.通過水熱法將三維CoO納米線陣列直接生長在柔性碳布基底上，并研究其作為無粘接

6、劑柔性鋰離子電池負極材料的電化學(xué)性能。多孔CoO納米線陣列為電化學(xué)鋰化過程中產(chǎn)生的體積變化提供了緩沖空間，因為納米線結(jié)構(gòu)增大了材料的比表面積。這種直接在導(dǎo)電基底上生長3D分級納米結(jié)構(gòu)材料的方法具備很多優(yōu)點，例如:較短的傳輸途徑，較小的應(yīng)力變化和快速的離子傳輸。因此，將CoO納米線復(fù)合材料作為鋰離子負極材料研究其電化學(xué)性能，表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲鋰性能、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。當(dāng)電流密度為100 mAg-1時，首次的放電容量達到了1730 mAh

7、 g-1，循環(huán)90圈后容量仍保持在1300 mAh g-1左右。CoO納米線/碳布電極材料顯示出了較強的柔性和較高的面積容量((1.95 mAh cm-2)，這些優(yōu)點使它在柔性鋰離子電池負極材料具有較大的應(yīng)用潛能。
　　3.通過水熱法直接將三維CoFe2O4納米線陣列生長在柔性碳布基底上。將其作為無粘接劑和導(dǎo)電添加劑的柔性鋰離子電池的負極材料，并研究其電化學(xué)性能。材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能都較好，尤其是，該復(fù)合材料在大倍率充放電條

8、件下仍具有優(yōu)異的循環(huán)性能。當(dāng)電流密度為500 mA g-1時，初始放電容量為1204 mAh g-1，在循環(huán)200次之后，其容量仍保持在500mAh g-1左右。CoFe2O4納米線/碳布的高容量，杰出的倍率性能和穩(wěn)定性，可歸因于分層等級結(jié)構(gòu)的多孔CoFe2O4納米線生長在碳布基底上，這種特殊結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，比如較短的離子傳輸路徑，較好的應(yīng)變松弛能力，較快的電子傳輸。此外，CoFe2O4納米線/碳布電極材料具有高柔性和高面積容量(2.