浅议纳米纳米结构Co_3O_4电极设计、制备与储锂性能

论文导读：Ahg-1;当电流密度为20C时,其可逆容量约为0.5C时的77%,高于目前文献报道的数值。2.采取水热生长和后热处理的办法在泡沫镍上直接制备了柠檬草状Co3O4纳米阵列电极,Co3O4的平均面质量密度为0.82mgcm-2。组成柠檬草状形貌的纳米线呈多孔结构,由直径仅为10-20nm的Co3O4颗粒构成,长度为2-3μm。在充放电循环中,该电极体现出了优
摘要：锂离子电池从其工作电压高、比能量大、放电电位平稳、循环寿命长和自放电小等优点,成为目前最为重要的二次电池,不仅广泛地运用于移动通讯、数码相机和笔记本电脑等便携式电子设备中,而且被认为是未来电动汽车用动力电池,太阳能、风能和潮汐能等可再生清洁能源存储用储能电池的首选。制备出具有高能量密度,高功率密度,长循环寿命和低成本的锂离子电池是实现其广泛运用的关键。本文从提升锂离子电池的能量密度、循环性能和倍率性能为目标,围绕如何提升电极的面积比容量这一关键不足展开。一方面设计并制备了具有特殊形貌和结构的纳米Co3O4材料,对其结构、形貌及电极的储锂性能进行了对比体系的探讨,研究了集流体对活性材料承载量和电极面积比容量的影响；另一方面,尝试制备了具有三维互联导电网络结构的纳米镍集流体,并将其用于Co3O4纳米结构电极的制备,大幅提升了Co3O4电极的面积比容量。论文的主要探讨内容及所获得的主要探讨结果如下：1.采取水热生长和后热处理的办法在不锈钢片上直接制备了Co3O4纳米线阵列电极,Co3O4的平均面质量密度为0.36mg cm-2。纳米线为多孔结构,由大小为20-40nm的Co3O4颗粒构成。在充放电循环中该电极体现出卓越的循环稳定性和倍率性能。在1C的电流密度下具有1300mAh g-1的可逆容量,相应的面积比容量为0.47mAh cm-2,循环150次后可逆容量保持率达到99%从上；在6C的大电流密度下,电极在循环100次后的容量仍保持在1060mAh g-1;当电流密度为20C时,其可逆容量约为0.5C时的77%,高于目前文献报道的数值。2.采取水热生长和后热处理的办法在泡沫镍上直接制备了柠檬草状Co3O4纳米阵列电极,Co3O4的平均面质量密度为0.82mg cm-2。组成柠檬草状形貌的纳米线呈多孔结构,由直径仅为10-20nm的Co3O4颗粒构成,长度为2-3μm。在充放电循环中,该电极体现出了优异的循环稳定性和倍率性能。在0.5C的电流密度下循环100次后,可逆容量为981mAh g-1,相应的面积比容量达到0.8mAh cm-2;在电流密度为10C时,可逆容量约为0.5C的42%。3.运用简单、无模板、成本低廉且易于规模化生产的燃烧法制备出具有三维互联网状结构的纳米泡沫镍,并将其作为锂离子电池电极的集流体,用热氧化办法制备出纳米泡沫Ni/NiO核壳结构电极。该电极在0.5C的电流密度下具有940mAh g-1的可逆容量,循环200次后,可逆容量保持率高达91%从上,电极的面积比容量为2.3mAh cm-2,高于目前文献报道的数值。探讨证实了从燃烧法制备的纳米泡沫镍有望可作为高性能电极的集流体。4.在燃烧法制备的纳米泡沫镍上生长了Co3O4超薄多孔纳米片,纳米片厚度仅为8nm,孔径3-5nm,面质量密度达到了2.4mg cm-2.与平面不锈钢集流体上制备的Co3O4纳米线阵列相比,面质量密度提升了670%。Co3O4超薄多孔纳米片电极具有优异的循环稳定性,在0.5C的电流密度下,循环300次后可逆容量为912mAh g-1,面积比容量达到2.2mAh cm-2,是不锈钢片上生长Co3O4纳米线阵列电极的近5倍。纳米泡沫镍集流体的运用,在保证电极具有优异的循环稳定性和倍率性能的前提下,大幅提升了Co3O4电极的面积比容量。关键词：纳米结构CO_3O_4论文纳米集流体论文高性能锂离子电池电极论文面积比容量论文水热生长论文
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Abstract5-9
第一章 绪论9-37

1.1 引言9-10

1.2 锂离子电池概述10-14

1.2.1 锂离子电池进展过程10-11

1.2.2 锂离子电池结构、工作原理及特征11-14

1.3 锂离子电池电极的设计14-22

1.3.1 电极材料介绍14-20

1.3.2 集流体的设计20-22

1.4 Co_3O_4负极材料22-29

1.4.1 Co_3O_4结构特点22-23

1.4.2 Co_3O_4负极材料的探讨近况23-29

1.5 本文的选题依据和探讨内容29-32

参考文献32-37
第二章论文导读：
电极的制备与表征37-45

2.1 电极材料制备办法37

2.2 电极材料表征技术37-41

2.1 X射线衍射(XRD)37-38

2.2 拉曼光谱(Raman)38-39

2.3 扫描电子显微镜(SEM)39

2.4 透射电子显微镜(TEM)39-40

2.5 热重差热分析(TG-DTA)40-41

2.3 锂离子电池的组装41-42

2.4 电池的电化学性能表征42-44

2.4.1 循环伏安法测试(CV)42

2.4.2 恒流充放电测试42-43

2.4.3 电化学阻抗谱测试(EIS)43-44

参考文献44-45
第三章 不锈钢衬底上制备Co_3O_4纳米结构的储锂性能45-65

3.1 Co_3O_4纳米线阵列电极的储锂性能探讨46-59

3.

1.1 Co_3O_4纳米线阵列的制备46

3.

1.2 Co_3O_4纳米线阵列的表征46-51

3.

1.3 Co_3O_4纳米线阵列电极的电化学性能分析51-59

3.2 Co_3O_4纳米复合结构电极的储锂性能探讨59-62
3.

2.1 Co_3O_4纳米复合结构的制备与表征59-61

3.

2.2 Co_3O_4纳米复合结构电极的电化学性能分析61-62

3.3 本章小结62-63
参考文献63-65
第四章 泡沫镍上制备Co_3O_4纳米结构的储锂性能65-78

4.1 柠檬草状Co_3O_4纳米阵列的制备66-67

4.

1.1 泡沫镍集流体的清洗66

4.

1.2 柠檬草状Co_3O_4纳米阵列的制备66-67

4.2 柠檬草状Co_3O_4纳米阵列的表征67-71
4.

2.1 水热法合成前驱物的表征67

4.

2.2 柠檬草状Co_3O_4纳米阵列的表征67-71

4.3 柠檬草状Co_3O_4电极的电化学性能分析71-75
4.

3.1 循环伏安测试71-72

4.

3.2 恒流充放电测试72-74

4.

3.3 循环后的电极形貌表征74-75

4.4 本章小结75-76
参考文献76-78
第五章 纳米泡沫镍集流体的设计与制备78-97

5.1 纳米泡沫镍的设计与制备79-83

5.

1.1 纳米泡沫镍的制备79-80

5.

1.2 纳米泡沫镍的优化设计与表征80-83

5.2 Ni/NiO电极的储锂性能探讨83-94
5.

2.1 Ni/NiO电极的表征84-88

5.

2.2 Ni/NiO电极的电化学性能分析88-94

5.3 本章小结94-96
参考文献96-97
第六章 高能量密度Co_3O_4电极的设计与储锂性能97-106

6.1 纳米集流体上Co_3O_4超薄纳米片状结构的制备97-98

6.2 Co_3O_4超薄纳米片状结构的表征98-100

6.

2.1 SEM与XRD表征98-99

6.

2.2 TEM表征99-100

6.3 Co_3O_4纳米片状结构电极的电化学性能分析100-103
6.

3.1 循环伏安测试100-101

6.

3.2 恒流充放电测试101-103

6.4 本章小结103-105
参考文献105-106
第七章 结论与展望106-109

7.1 本文的主要结论106-108

7.2 今后探讨工作展望108-109

附录109-110
致谢110