自支撐高比能納米復合電極材料的制備及其電化學儲能特性研究.pdf

1、為了應對全球能源危機和環(huán)境惡化，能源結構的全面轉型已經在如火如荼地進行?？萍及l(fā)展日新月異，人們對便攜化、娛樂化、健康化的電子設備，微型精密電子產品和舒適無污染電動汽車不斷追求。傳統(tǒng)二次電池因存在比容量低、充放電速度慢、壽命短、笨重、不可彎曲、價格昂貴等缺點，已經滿足不能新一代電子器件的需要。因此，開發(fā)新型儲能器件向著超高比能，超長循環(huán)壽命、快速充放電、質輕，柔軟，清潔安全等方向發(fā)展是當務之急。
　　新型自支撐電極材料及其復合電極材

2、料在很大程度避免使用傳統(tǒng)的粘結劑和導電劑，不但節(jié)約了資源，降低了成本，也減少了很多工藝步驟。集流體的節(jié)省，很大程度上降低了成品電池的質量和體積。電極材料與導電性優(yōu)異自支撐材料的結合能力遠超過傳統(tǒng)的涂布法，因此，自支撐復合材料在結構穩(wěn)定性和導電性方面較為突出。選擇合適的自支撐材料還能得到柔韌性和機械性能良好的柔性電極材料，為實現(xiàn)新一代柔性儲能器件打好基礎?；谝陨嫌^點，本論文在高比能自支撐電極材料方面進行了創(chuàng)新性的研究，取得了如下主要結果

3、：
　?。?）制備了分級結構的Sb@C納米復合電極材料：以棉布纖維為自支撐基底和模板，經過“浸泡-熟化-煅燒”簡單的實驗步驟，得到分級多孔Sb@C復合材料。本實驗通過低濃度前驅物溶液層層浸泡的方法，實現(xiàn)了超細的Sb納米顆粒均勻的分散在C基底的內部的目的。避免了大濃度、一次性浸泡法制得的大顆粒、不均勻分布等缺點。復合材料復制了碳纖維的相互交織的框架，結構完整，可以直接作為電極材料組裝電池。無需使用粘結劑、導電劑和集流體。Sb@C復合

4、材料比容量高達660 mA h g?1，循環(huán)300圈后，容量保持率接近100％。與傳統(tǒng)涂布法相比，此制備方法簡單，成本低廉，適合規(guī)?；褂?。
　?。?）基于柔性MnO-還原石墨烯（rGO）薄膜材料的柔性鋰電池：通過簡單的“絡合-涂膜-還原”步驟，得到了柔性自支撐的MnO-rGO薄膜材料。超薄石墨烯層與超細MnO納米顆粒形成層層包埋的三維分級結構。該結構緊密，機械性和柔韌性良好，可以直接作為鋰離子電池的電極材料。超細納米顆粒與石墨烯

5、的緊密結合，形成了一個相互連通的電子和離子快速傳導的網絡。層層包埋的特殊結構有效的抑制了轉換反應過程中的體積效應造成的結構破壞現(xiàn)象的發(fā)生。因此，柔性MnO-rGO薄膜材料展現(xiàn)出非常卓越的電化學性能。將其與商業(yè)鈷酸鋰材料組裝成柔性鋰離子電池，在500 mA g?1的電流密度下，進行深度充放電時，放電比容量接近1000 mAh g?1，經過200個充放電循環(huán)以后，比容量幾乎沒有衰減。在實用性方面，能輕松地點亮上百個商用的LED燈，且在彎曲測

6、試的時候，LED燈沒有受到任何的影響。
　?。?）普適法制備柔性MOx-rGO(M=Co，Mo，Sn)薄膜材料：在“絡合-涂膜-還原”制備薄膜材料的基礎上，針對不同前驅物屬性，選擇不同極性的溶液、還原氣氛和煅燒溫度，均得到了柔性MOx-rGO薄膜材料。該方法具有可設計性、普適性和易操作性。通過結構和形貌的表征，證實了溶液極性對產物粒徑的影響。層層包埋形成的三維多孔薄膜為活性材料CoO、MoO2和Sn提供了巨大的依附空間，同時也為這

7、些過渡金屬氧化物在充放電過程中的體積變化提供了緩釋空間，為材料整體結構的穩(wěn)定性提供了保證。同時我們系統(tǒng)的研究了所制備電極材料的電化學性能。
　?。?）制備了柔性Sb-rGO//Na3V2(PO4)3-rGO鈉離子全電池：在無水乙醇體系中，制備出大面積的Sb@rGO和Na3V2(PO4)3@rGO柔性薄膜電極材料。層層包埋的結構有利于電解液的浸潤和電子電導率和Na+的傳導速率的提高，有效地抑制了充放電過程中電極材料的體積膨脹。從而顯

8、著地提高了Sb-rGO和Na3V2(PO4)3-rGO柔性薄膜復合材料做為鈉離子電池正負極材料時電池的可逆比容量，循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。柔性 Sb-rGO//Na3V2(PO4)3-rGO鈉離子全電池：分別以柔性 Sb-rGO和Na3V2(PO4)3-rGO作為負極和正極材料，在不需要集流體和粘結劑的情況下，組裝成柔性鈉離子電池。作為首次報道的全柔性鈉離子電池，在0.7–3.5 V電壓范圍內具有非常穩(wěn)定的循環(huán)性能。本工作證明了新型柔性鈉