鈷鐵氧化物納米復合材料的制備及在（柔性）鋰離子電池負極材料上的應用.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構設計而具有許多優(yōu)點，如較高的電容量，廣泛的應用性，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注

2、。然而，鈷鐵氧化物的導電性較差，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、設計獨特的結構和用導電材料包覆等方法來提高鈷鐵氧化物的電化學性能，是研究鋰離子電池的熱點之一。
　　作為新一代光電設備技術的柔性電子設備技術是一項新興的、有潛力的技術，不同的新型電子設備，比如可卷曲設備，智能電子設備和可穿戴設備，都受到了廣泛的研究關注。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、無導電劑，由不同的功能有機和（或）無機材料生長在柔性導電基底上組成。為了實現(xiàn)電子設備的柔性要求，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、導電膜、紡織品、低維納米結構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，導電性好，強度高，結構穩(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電劑的條件下，用作作輕質(zhì)、柔性的集流體，且可應用于柔性鋰離子電池的負極材料。主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　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納米粒子的結構穩(wěn)定性。

5、此外，該復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)狀結構。這種獨特的結構設計為鋰離子在嵌入與脫嵌過程中，電極材料的結構完整性提供了保證。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性能。多孔CoO納米線陣列為電化學鋰化過程中產(chǎn)生的體積變化提供了緩沖空間，因為納米線結構增大了材料的比表面積。這種直接在導電基底上生長3D分級納米結構材料的方法具備很多優(yōu)點，例如:較短的傳輸途徑，較小的應力變化和快速的離子傳輸。因此，將CoO納米線復合材料作為鋰離子負極材料研究其電化學性能，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電添加劑的柔性鋰離子電池的負極材料，并研究其電化學性能。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構的多孔CoFe2O4納米線生長在碳布基底上，這種特殊結構具有很多優(yōu)點，比如較短的離子傳輸路徑，較好的應變松弛能力，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.