3D Co3O4-碳纖維布柔性鋰離子電池負極的制備及電化學性能研究.pdf

1、自20世紀90年代,索尼公司成功開發(fā)鋰離子電池以來,其迅速占領了小型便攜式電子消費品市場。目前,由于社會對柔性電子器件的需求,柔性鋰離子電池成為研究的熱點。柔性鋰離子電池可應用于可彎曲的器件、射頻認證卡、集成智能卡和可移植的醫(yī)療器件等領域。
　　Co3O4作為一種典型的過渡金屬氧化物負極材料,具有容量高(890mAh·g-1)、安全性好等特點,是目前過渡金屬氧化物材料的研究前沿及熱點領域。碳纖維布(CFC)作為柔性集流體,具備機械

2、強度高、電化學穩(wěn)定性好的優(yōu)點。
　　本論文結合上述電極材料和柔性集流體的特點,采用一種簡單的水熱合成路線制備3DCo3O4納米線陣列/CFC柔性電極。這種3DCo3O4納米線陣列/CFC柔性電極展示出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。實驗中分別對Co(NO3)2的濃度、反應溫度和焙燒溫度等制備條件對Co3O4納米線陣列/CFC的結構影響進行了深入研究。確定了最佳的實驗條件:硝酸鈷的濃度2mol·L-1,反應時間5h,焙燒溫度400°C

3、,制備的3DCo3O4納米線陣列長度為5μm左右,直徑在100nm左右。1C條件下充放電,初始容量為1772mAh·g-1,經(jīng)50次循環(huán)后,容量保持在1261mAh·g-1,5C時容量仍在464mAh·g-1。
　　在上述3DCo3O4納米線陣列/CFC制備條件和結構影響規(guī)律的基礎上,對制備的3DCo3O4納米線陣列/CFC柔性電極進行葡萄糖溶液浸漬包碳處理,制備Co3O4-C核殼納米線陣列/CFC柔性電極。研究發(fā)現(xiàn),葡萄糖的濃度

4、越高,其包覆的碳層越厚,浸漬的時間越長,包覆的越均勻,焙燒溫度在400°C時,Co3+會被部分還原。制備的Co3O4-C核殼納米線陣列/CFC柔性電極的循環(huán)性能提升不明顯,但是其倍率性能有一定的提升,5C時容量從480mAh·g-1提升到697mAh·g-1。
　　通過對實驗制備的3DCo3O4納米線陣列/CFC柔性電極的物理結構和電化學性能的深入分析,其優(yōu)異的性能歸結于以下方面:(1)由于Co3O4緊密的附著在碳纖維表面,形成了

5、快速的電子傳導通道,因此,CFC上的3DCo3O4納米陣列具備優(yōu)異的電子傳導性。(2)Co3O4納米線之間的空隙以及3DCo3O4納米線陣列/CFC結構增大了電解質(zhì)和活性物質(zhì)的接觸面積,這種結構非常有利于電解質(zhì)的擴散且能緩解鋰嵌入/脫嵌過程中的體積變化。(3)3D納米陣列結構可以縮短鋰離子的擴散路徑且能提升倍率性能。3DCo3O4陣列包碳后其倍率性能提升明顯,這是由于碳具有優(yōu)異的電子傳導性,包碳后的3DCo3O4陣列具有優(yōu)異的電子傳導性