论文部分内容阅读
锂离子电池(LIBs)是现今大多数电子产品的主要电源，也是未来电动汽车及混合动力汽车等最具发展前途的电源之一。开发具有更高能量密度和功率密度的锂离子电池变得非常迫切。因此，具有高理论能量密度的负极材料如Fe3O4，Co3O4，Si，SnO2的研发成为当今锂离子电池领域研究的热点。其中，Co3O4的理论充放电比容量高达890mAhg-1，是商用石墨(374mAhg-1)的两倍以上，而成为未来负极材料的重要选择之一。但是Co3O4电导率低，在重复充放电过程中体积变化大，从而导致容量衰减迅速、可逆比容量不高及倍率性能差。
本文主要针对Co3O4用于锂离子电池负极材料时，容量衰减迅速以及可逆比容量不高的缺点，通过制备不同结构的Co3O4并引入电化学性能优良的石墨烯材料进行改进。并从材料性能，电池电极的结构，充放电性能和倍率性能等方面对整个锂离子电池体系的电化学性能进行对比研究。论文的研究内容主要包括以下几个部分:
1、以介孔二氧化硅为模板，以六水硝酸钴为前驱体，合成了具有介孔结构的Co3O4微球。介孔Co3O4微球形貌规整，粒径在700nm左右。介孔微球孔径均匀，具有较高的比表面积。这些特点有利于电解液的浸润、减小锂离子的嵌入/脱出路径以及缓冲充放电过程中材料的体积变化。将材料用于锂离子电池负极材料并对其电池性能进行测试，研究表明介孔Co3O4微球在100mAg-1的充放电电流密度下，首次放电比容量达到1500mAhg-1，经过35次充放电循环后比容量保持在260mAhg-1。
2、通过静电相互作用，将石墨烯包覆在合成的介孔Co3O4微球表面，形成核壳复合结构。这样可以有效的提高整个电极的导电性，并减小电极材料的体积膨胀。对该材料进行锂离子电池性能测试，结果表明Co3O4和石墨烯之间形成很好的协同作用，电池经过35次重复充放电后，可逆比容量高达820mAhg-1，比纯介孔Co3O4微球具有更好的循环稳定性和更高的充放电可逆比容量。此外，在相同的充放电电流密度下，复合材料比介孔Co3O4微球具有更高的充放电可逆比容量。
3、采用静电纺丝技术合成Co3O4纤维，并与石墨烯通过静电相互作用自组装，最终的得到无粘结剂的具有空间网络结构的石墨烯包覆Co3O4纤维复合纸。经表征合成的复合纸厚度均一，在20μm左右，Co3O4纤维在复合纸中分散均匀。这种特殊结构的复合纸可以直接用做锂离子电池负极材料。相比于传统的电极，复合纸电极没有加入粘结剂而直接引入导电性好的石墨烯，从而具有更好的导电性。此外，石墨烯包覆Co3O4纤维并形成空间网络结构不仅有利于电解液浸润到整个电极，而且可以有效的减少电极材料的体积变化。经过40次充放电循环后，复合纸电极的循环比容量仍能达到840mAhg-1，相比于传统结构的电极有很大的改善。而且，复合纸电极相比于传统电极具有更好的倍率性能。因此，这种无粘结剂复合纸将在锂离子电池电极中具有很大的潜力和发展空间。