《3d co3o4 碳纤维布柔性锂离子电池负极制备与电化学性能研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3d co3o4 碳纤维布柔性锂离子电池负极制备与电化学性能研究（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 硕士学位论文硕士学位论文 3D Co3O4/碳纤维布柔性锂离子电池负极的 制备及电化学性能研究 RESEARCH ON SYNTHESIS AND ELECTROCHEMICAL PERFORMANCES OF 3D Co3O4/CARBON FIBER CLOTH ANODES FOR FLEXIBLE LITHIUM-ION BATTERIES 方伟方伟 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2013 年年 7 月月 国内图书分类号：TM 912.9 学校代码：10213 国际图书分类号：621.355 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 3D Co3O4/碳纤维布柔性锂离子电池负极的
2、 制备及电化学性能研究 硕 士 研 究 生 ： 方伟 导 师 ： 张乃庆 申 请 学 位 ： 工学硕士 学科 ： 化学工程与技术 所 在 单 位 ： 理学院 答 辩 日 期 ： 2013 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 Classified Index: TM912.9 U.D.C: 621.355 Dissertation for the Masters Degree in Engineering RESEARCH ON SYNTHESIS AND ELECTROCHEMICAL PERFORMANCES OF 3D Co3O4/CARBON FIBER CLOTH ANODE
3、S FOR FLEXIBLE LITHIUM-ION BATTERIES Candidate： Fang Wei Supervisor： Prof. Zhang Naiqing Academic Degree Applied for： Master Degree of Engineering Speciality： Chemical Engineering & Technology Affiliation： School of Science Date of Defence： July, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute
4、of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 摘 要 自 20 世纪 90 年代，索尼公司成功开发锂离子电池以来，其迅速占领了 小型便携式电子消费品市场。目前，由于社会对柔性电子器件的需求，柔性 锂离子电池成为研究的热点。柔性锂离子电池可应用于可弯曲的器件、射频 认证卡、集成智能卡和可移植的医疗器件等领域。 Co3O4作 为 一 种 典 型 的 过 渡 金 属 氧 化 物 负 极 材 料 ， 具 有 容 量 高 （890mAhg-1）、安全性好等特点，是目前过渡金属氧化物材料的研究前沿 及热点领域。碳纤维布(CFC)作为柔性集流体，具备机械强度高、电化学稳 定性好的优
5、点。 本论文结合上述电极材料和柔性集流体的特点，采用一种简单的水热合 成路线制备 3D Co3O4纳米线阵列/CFC 柔性电极。 这种 3D Co3O4纳米线阵列 /CFC 柔性电极展示出了优异的循环稳定性和倍率性能。实验中分别对 Co(NO3)2的浓度、反应温度和焙烧温度等制备条件对 Co3O4纳米线阵列/CFC 的结构影响进行了深入研究。确定了最佳的实验条件：硝酸钴的浓度 2molL-1，反应时间 5h，焙烧温度 400C，制备的 3D Co3O4纳米线阵列长度 为 5m左右， 直径在 100nm左右。 1C条件下充放电， 初始容量为 1772mAhg-1， 经 50 次循环后，容量保持在
6、 1261mAhg-1，5C 时容量仍在 464mAhg-1。 在上述 3D Co3O4纳米线阵列/CFC 制备条件和结构影响规律的基础上， 对制备的 3D Co3O4纳米线阵列/CFC 柔性电极进行葡萄糖溶液浸渍包碳处 理，制备 Co3O4-C 核壳纳米线阵列/CFC 柔性电极。研究发现，葡萄糖的浓度 越高， 其包覆的碳层越厚， 浸渍的时间越长， 包覆的越均匀， 焙烧温度在 400C 时，Co3+会被部分还原。制备的 Co3O4-C 核壳纳米线阵列/CFC 柔性电极的循 环性能提升不明显， 但是其倍率性能有一定的提升， 5C 时容量从 480mAhg-1 提升到 697mAhg-1。 通过对
7、实验制备的 3D Co3O4纳米线阵列/CFC 柔性电极的物理结构和电 化学性能的深入分析，其优异的性能归结于以下方面：(1)由于 Co3O4紧密的 附着在碳纤维表面，形成了快速的电子传导通道，因此，CFC 上的 3D Co3O4 纳米阵列具备优异的电子传导性。(2)Co3O4纳米线之间的空隙以及 3D Co3O4 纳米线阵列/CFC 结构增大了电解质和活性物质的接触面积， 这种结构非常有 利于电解质的扩散且能缓解锂嵌入/脱嵌过程中的体积变化。(3)3D 纳米阵列 结构可以缩短锂离子的扩散路径且能提升倍率性能。3D Co3O4阵列包碳后其 倍率性能提升明显，这是由于碳具有优异的电子传导性，包碳
8、后的 3D Co3O4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - 阵列具有优异的电子传导性。 关键词：柔性锂离子电池；Co3O4负极；纳米线阵列；水热；碳包覆 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - Abstract Since introduced by Sony Corporation in the early 1990s, lithium-ion batteries have rapidly taken over the miniative and portable electronic consumption goods market. Flexible lithium-i
9、on batteries are considered as appealing batteries, owing to the improved demand of society for the flexible electronic device. Flexible batteries are needed, e.g., for rolled-up displays, active radio-frequency identification tags, integrated circuit smart cards, and implantable medical devices. Co
10、balto-cobaltic oxide (Co3O4), as an important transition-metal oxide, is considered as a very promising anode material for LIBs, due to the high theoretical capacity (890mAhg-1) and high safety. Carbon fiber cloth (CFC), one kind of flexible substrate, has high mechanical strength and excellent elec
11、trochemical stability. Herein, the 3D Co3O4 nanowire arrays could be easily grown on the flexible substrate of Carbon fiber cloth by using a facile hydrothermal route. The unique hierarchical 3D Co3O4/CFC exhibit high capacity, excellent cycling performance and good rate capability. The architecture
12、 of 3D Co3O4/CFC is influenced by various factors, such as the concentration of Co(NO3)2, reaction time and calcination temperature. Experiment results demonstrate that 3D Co3O4 nanowire arrays/CFC was obtained in 0.05 molL-1 Co(NO3)2 for 5h and then heated at 400 for 2h. As the integrated anodes of
13、 LIBs, 3D Co3O4 nanowire arrays/CFC delivered high-rate capacity of 464mAhg-1 at 5C rate and 1261 mAhg-1 after 50 cycles at 1 C rate. After soaking 3D Co3O4 nanowire arrays/CFC into the solution of glucose, the solution was maintained at room-temperature for 6h and then thermal treated at 350 for 1h
14、. The research demonstrated that the carbon coating was thicker with the increment of the concentration of the glucose and its more homogeneous with the increase of the holding time. The carbon coating modification would cause the reduction of Co3+ ion. The carbon can significantly enhance the rate
15、performances of 3D Co3O4 nanowire arrays/CFC without the adverse on the cycling behavior with an improvement from 480mAhg-1 to 697 mAhg-1 at 5C rate. The high capacity, excellent cycling stability and good rate capability can be attributed to the unique morphology and structure of the Co3O4 nanowire
16、 arrays/CFC electrodes on the following aspects: (1) The Co3O4 nanowire arrays directly grown on the carbon cloth have an outstanding electronic conductivity 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - because Co3O4 nanowire arrays sticked tightly to the CFC to form very good adhesion and electrical contact, building up an expressway for charge transfer. (2) The 3D configuration of the Co3O4/CFC ensures the loose textures and open spaces between nei
