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(fù)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(zhǎng)循環(huán)壽命，無(wú)記憶效應(yīng)和對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)，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(fù)極材料）是構(gòu)成鋰離子電池的重要組成部分。過(guò)渡金屬氧化物作為鋰離子電池的負(fù)極材料也被廣泛研究，與一般的石墨負(fù)極材料相比，這些過(guò)渡金屬氧化物通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而具有許多優(yōu)點(diǎn)，如較高的電容量，廣泛的應(yīng)用性，較好的穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境無(wú)害等。在這些材料中，鈷、鐵氧化物因?yàn)榫哂懈呷萘?、低成本和自然存?chǔ)豐富這些特點(diǎn)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(guò)程中存在粉末化的現(xiàn)象，這些容易造成負(fù)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(guò)制備具有不同形貌特征的納米材料、設(shè)計(jì)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和用導(dǎo)電材料包覆等方法來(lái)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(diǎn)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(xiàng)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(duì)

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(gè)要求。柔性鋰離子電極通常是無(wú)粘接劑、無(wú)導(dǎo)電劑，由不同的功能有機(jī)和（或）無(wú)機(jī)材料生長(zhǎng)在柔性導(dǎo)電基底上組成。為了實(shí)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(bào)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(diǎn)，包括成本低，導(dǎo)電性好，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性優(yōu)異以及耐腐蝕能

4、力強(qiáng)，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(fù)極材料。主要研究?jī)?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(diǎn)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(tuán)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(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鋰離子在嵌入與脫嵌過(guò)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(fù)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(guò)水熱法將三維CoO納米線陣列直接生長(zhǎng)在柔性碳布基底上，并研究其作為無(wú)粘接

6、劑柔性鋰離子電池負(fù)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(guò)程中產(chǎn)生的體積變化提供了緩沖空間，因?yàn)榧{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(zhǎng)3D分級(jí)納米結(jié)構(gòu)材料的方法具備很多優(yōu)點(diǎn)，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(fù)極材料研究其電化學(xué)性能，表現(xiàn)出了優(yōu)異的儲(chǔ)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(shí)，首次的放電容量達(dá)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(qiáng)的柔性和較高的面積容量((1.95 mAh cm-2)，這些優(yōu)點(diǎn)使它在柔性鋰離子電池負(fù)極材料具有較大的應(yīng)用潛能。
　　3.通過(guò)水熱法直接將三維CoFe2O4納米線陣列生長(zhǎng)在柔性碳布基底上。將其作為無(wú)粘接劑和導(dǎo)電添加劑的柔性鋰離子電池的負(fù)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(shí)，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(jí)結(jié)構(gòu)的多孔CoFe2O4納米線生長(zhǎng)在碳布基底上，這種特殊結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，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.