無模板法制備陣列化納米結(jié)構(gòu)電極及作為鋰離子電池負極材料的應(yīng)用.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)和人類社會的快速發(fā)展，人們對鋰離子電池的性能要求越來越高，然而，現(xiàn)在商業(yè)化主流的產(chǎn)品性能還不能滿足人們的期望。
　　目前，陣列化納米結(jié)構(gòu)電極是鋰離子電池領(lǐng)域的一個研究熱點，引起人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的平板電極相比，陣列化納米結(jié)構(gòu)電極能夠在鋰離子嵌入-脫出的過程中為電極活性材料提供體積變化的緩沖空間，具有更快的電子和離子運輸速度，還能夠顯著增加活性材料對于襯底的附著力；在使用的過程中，也不需要額外添加導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。因此

2、，陣列化納米結(jié)構(gòu)電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，尤其是大電流充放電性能，被認為是新型鋰離子動力電池的理想選擇之一。
　　本文提出基于無模板的方法制備陣列化納米結(jié)構(gòu)電極的新方法和新思路。相比于以往傳統(tǒng)的模板法，無模板法實施起來更為簡潔省時，也更為經(jīng)濟高效。實驗采用浸漬法、水熱法、電壓控制、熱還原等方法，在金屬集流體襯底上，原位生長了Ag納米片狀陣列、Ag納米顆粒陣列、CoO納米線陣列、NiO納米片陣列和Co納米線陣列；在此基礎(chǔ)上，通過射頻

3、濺射，制得Ag-Si、Ag-Ge、Ag-Co3O4、Ag-NiO核殼結(jié)構(gòu)納米片陣列，Ag-Si、Ag-NiO核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒陣列，CoO-Si核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列，NiO-Si核殼結(jié)構(gòu)納米片陣列，和Co-Ge核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列。實驗表明，這些復(fù)合納米結(jié)構(gòu)電極均表現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)平板電極的電化學(xué)性能。
　　本文的主要創(chuàng)新點如下：
　　（1）采用一種簡單易得的浸漬法，利用襯底作為還原劑，通過和溶液的置換反應(yīng)，在金屬銅襯底上可控生長出

4、Ag納米片狀陣列以及Ag納米顆粒狀陣列，并把這兩種陣列結(jié)構(gòu)應(yīng)用于鋰離子電池，可以作為一種通用的活性材料支撐結(jié)構(gòu)。
　?。?）基于Ag納米片狀陣列，采用射頻濺射的方法，制備了Ag-Si、Ag-Ge、Ag-Co3O4、Ag-NiO四種核殼結(jié)構(gòu)納米陣列電極。由于獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，這些陣列化納米結(jié)構(gòu)電極均表現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的循環(huán)性能。在0.2 C的電流條件下， Ag-Si電極經(jīng)過400次充放電循環(huán)，比容量為1679 mAh g-1；Ag-Ge

5、電極在30次循環(huán)以后，比容量在839 mAh g-1；Ag-Co3O4電極在30次循環(huán)以后，比容量是720 mAh g-1；Ag-NiO復(fù)合電極100次充放電以后，容量大約800 mAh g-1?；贏g納米顆粒狀陣列，采用射頻濺射的方法，制備了Ag-Si和Ag-NiO兩種核殼結(jié)構(gòu)納米陣列電極。Ag-Si復(fù)合納米顆粒狀電極經(jīng)過50次充放電以后，比容量仍超過1600 mAh g-1，高于平板硅電極的500 mAh g-1；Ag-NiO復(fù)合

6、納米顆粒狀電極經(jīng)過100次充放電以后，容量大約保持在500 mAh g-1，也高于同樣測試條件下，平板NiO電極的比容量（低于100 mAh g-1）。
　?。?）采用水熱法與射頻濺射法，制備了CoO-Si和NiO-Si氧化物-硅復(fù)合納米結(jié)構(gòu)電極。在作為鋰電池負極的電化學(xué)測試中，利用氧化物與 Si脫鋰電位的差異，通過控制電壓，使氧化物作為支撐結(jié)構(gòu)只參與第一次嵌鋰反應(yīng)。上述納米結(jié)構(gòu)復(fù)合電極與平板集流體支撐的硅電極相比，表現(xiàn)出更加優(yōu)良

7、的循環(huán)穩(wěn)定性。在0.2 C的電流條件下，經(jīng)過200次充放電之后，CoO-Si電極還能夠保持1811 mAh g-1的質(zhì)量比容量，NiO-Si電極在100次循環(huán)以后還能保持大約1940 mAh g-1的質(zhì)量比容量，而平板硅電極的容量則在20次循環(huán)以后就跌到430 mAh g-1左右。
　　（4）通過水熱法合成的CoO納米線陣列為前驅(qū)體，進一步用H2/Ar還原得到Co納米線陣列，再通過射頻濺射包覆Ge，制得Co-Ge核殼結(jié)構(gòu)納米線陣列