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长春应化所开发新型无粘接剂CuO纳米棒负极
2017-06-19 08:58:19 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  硅负极材料由于容量发挥高、资源储量丰富等优势,近年来取得了极大的发展,是目前最为成熟的高容量负极材料。硅负极材料主要分为两大类:晶体硅和氧化亚硅材料,硅材料虽然容量高,但是还存在很多问题,例如晶体硅膨胀大,循环性能差,氧化亚硅首次库伦效率低等问题。为此,人们还在不断的开发各种新型的高容量负极材料,例如N掺杂石墨类材料、过渡金属锂化物类材料,以及目前风头正劲的金属锂负极材料等,近日中科院长春应化所的Dongming Yin等设计了一种新型的无粘接剂CuO纳米棒电极,该电极是通过直接在Cu箔上生长多孔CuO纳米棒阵列获得,该方法避免了粘接剂和导电剂的使用,使得CuO活性物质与Cu箔之间有更好的接触。该电极比容量可达670mAh/g以上(100mA/g)以上,并却具有良好的倍率性能和循环性能(100mA/g电流密度下,循环150次剩余容量可达671mAh/g)。   

 

  CuO材料的理论容量达到670mAh/g,并且具有丰富的资源储量的优势,但是CuO同样也面临着充放电过程中体积膨胀过大的问题,纳米化是解决材料膨胀大的问题的常见办法,为了克服CuO电极膨胀大的问题,Dongming Yin利用金属有机物框架(MOFs)的方法直接在铜箔上生长了CuO多孔纳米棒,该电极的具体制备方法如上图所示,首先将铜箔浸入到7,7,8,8-四氰基喹啉甲烷TCNQ,TCNQ与Cu箔反应生成Cu-TCNQ,然后在250℃下进行热处理后,Cu-TCNQ将转化为CuO纳米棒。

  在TCNQ中处理不同时间获得的Cu-TCNQ前驱体和在250℃下处理获得CuO的形貌如下图所示,从图上我们可以看到随着处理时间的延长,前驱体纳米棒的数量逐渐增加,经过250℃处理后CuO很好的继承了前驱体的形貌,并且相互之间连接在一起,形成多孔结构。  

 

  Dongming Yin对上述制备的CuO负极进行了电化学测试,下图为循环伏安测试结果,从图上可以看到在第一个还原过程中在1.75V左右出现了一个弱的电流峰,在1.19V出现了一个强电流峰,在0.85V和0.62V分别出现了两个中等强度的电流峰,此过程中发生的电化学反应如下所示。   

 

  容量测试表明该电极的容量发挥达到670mAh/g以上,并具有优良的循环和倍率性能,在100mA/g的电流密度下循环150次,该电极容量发挥可以达到671mAh/g,倍率测试也同样表明该电极具有优异的电化学性能,在100,200,500和1000mAh/g的电流密度下,该电极的容量发挥可以分别达到730,554,434和367mAh/g,即便是在2000mA/g的电流密度下,该材料的容量发挥仍然可以达到300mAh/g。 

   

  目前该电极存在的最大的问题为首次效率低,该电极在首次充电时,其充电容量可达到1341mAh/g,远远高于其理论容量670mAh/g,但是首次效率仅为58%,导致这一现象的主要原因有两点:1)反应过程中生成的Li2O不具有反应活性;2)电解液在CuO表面分解,纳米材料较大的比表面积增加了电解液的分解数量,导致该CuO电极的首次效率较低。因此该材料应用还需要配合补锂技术使用。

  Dongming Yin等开发的利用金属有机化合物MOFs方法直接在金属箔上制备纳米棒电极材料的方法,工艺简单适合大规模生产,而且可以推广到其他材料的电极,例如直接在铜箔上生长SiOx纳米棒等,利用纳米材料的优势克服材料在充放电过程中的体积膨胀,因此该方法具有非常好的应用前景。

  

    来源: 中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=81478

  
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