多孔Co3O4基復(fù)合材料的綠色合成及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近年來，鋰離子電池因其比容量高、使用壽命長(zhǎng)和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、混合動(dòng)力車和純電動(dòng)汽車中。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)鋰離子電池的性能要求也越來越高。然而目前主要使用的商業(yè)石墨負(fù)極材料理論比容量較低（372 mAh g-1），倍率性能差，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模能源應(yīng)用的需求，限制了鋰離子電池發(fā)展。因此開發(fā)新型的負(fù)極材料已成為人們主要研究方向，它是提高電池性能的關(guān)鍵。四氧化三鈷(Co3O4)由于其比容量大(890 mAh

2、g-1)、來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，在鋰離子電池方面的應(yīng)用引起了科研工作者們的極大興趣。但Co3O4導(dǎo)電性能較差，且在鋰離子嵌入和脫出的過程中體積變化大，使電池的循環(huán)性能和倍率性能下降，限制了其在商業(yè)中的應(yīng)用。因此本文以植物或植物廢棄物為生物模板和反應(yīng)劑，利用它們大比表面積和多孔性等優(yōu)點(diǎn)對(duì)Co3O4形貌進(jìn)行調(diào)控，或者與Co3O4進(jìn)行復(fù)合，來提高其導(dǎo)電性、緩沖體積變化，從而達(dá)到提高電化學(xué)性能的目的，同時(shí)綠化環(huán)境。主要研究?jī)?nèi)容如下:

3、　　1.以廢棄的面巾紙為模板，通過一個(gè)簡(jiǎn)單、低成本且環(huán)保的過程制備了多孔管狀Co3O4材料。有趣的是多孔Co3O4管的形成與其自組裝過程是同時(shí)發(fā)生的。所制備的多孔管是由許多粒徑為50～150nm的Co3O4納米顆粒有序自組裝而成的，管的外徑約2.2μm。典型產(chǎn)物（樣品1）的比表面積是24.6 m2 g-1，其孔徑大小主要集中在67 nm。此外，我們探討了Co2+不同初始濃度對(duì)產(chǎn)品的形貌及電化學(xué)性能的影響。作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，典型產(chǎn)

4、物展現(xiàn)出高比容量1053mAhg-1（100 mA g-1電流密度下循環(huán)100次）、卓越的循環(huán)性能以及良好的倍率性能（500 mA g-1下，經(jīng)過100次循環(huán)后，比容量為727 mAhg-1）。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能主要?dú)w因于其多孔管狀結(jié)構(gòu)，其有可能成為一種有潛力的鋰離子電池候選負(fù)極材料。
　　2.用氨水處理廢棄的筍葉得到纖維素纖維，以此為模板和反應(yīng)劑，通過冷凍干燥和不同氣氛下的兩步熱退火處理制備了N-C/Co3O4材料。粒徑約為1

5、00-200nm的Co3O4顆粒分布在N-C纖維的表面，纖維直徑約2μm。實(shí)現(xiàn)了資源的再利用和變廢為寶，且摻雜N元素增強(qiáng)了復(fù)合物的導(dǎo)電性，有利于改善材料的電化學(xué)性能。經(jīng)過電化學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，N-C/Co3O4在電流密度為100mA g-1時(shí)，100次循環(huán)后放電比容量為887 mAh g-1，當(dāng)達(dá)到1 Ag-1時(shí)其放電比容量仍有415 mAh g-1，展現(xiàn)了較好的循環(huán)性能和倍率性能。
　　3.以紫菜為碳源、氮源和磷源，通過CoCl2和N

6、aF的雙水解反應(yīng)，經(jīng)過兩步煅燒后制備了多孔N，P-C/Co3O4復(fù)合物。該產(chǎn)物充分結(jié)合了Co3O4高比容量和C優(yōu)異循環(huán)性能與導(dǎo)電性能的優(yōu)點(diǎn)，以及N、P元素?fù)诫s對(duì)電極材料性能的改善。經(jīng)過充放電測(cè)試發(fā)現(xiàn)，N，P-C/Co3O4復(fù)合材料具有高的可逆比容量927mAh g-1（100 mA g-1電流密度下循環(huán)100次）、較好的循環(huán)性能和倍率性能（當(dāng)電流密度為1 Ag-1時(shí)，比容量為454 mAh g-1）。此研究方法簡(jiǎn)單，且利用豐富可再生的紫