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長春應化所開發新型無粘接劑CuO納米棒負極

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2023年09月26日  

說起鋰電池大家都不陌生,無論是手機還是筆記本電腦,都少不了鋰電池的身影,隨著電子技術的不斷發展,我們對鋰電池的要求也越來越高,我們既要鋰電池能量密度更高,也要安全性更好,這都對鋰電池的研發工作提出了更多的挑戰。提高鋰電池能量密度的關鍵是提高正負極活性物質的容量發揮,傳統的石墨材料容量發揮多在300mAh/g左右,LCO材料容量發揮在140mAh/g左右,這極大限制了鋰電池能量密度的提升。近年來,隨著材料技術的發展,高容量發揮的正負極材料也在不斷的涌現,例如負極的硅材料,正極的三元和富鋰材料等都遠遠超過了傳統的鋰電池電極材料,極大的推動了鋰電池能量密度的提升。


硅負極材料由于容量發揮高、資源儲量豐富等優勢,近年來取得了極大的發展,是目前最為成熟的高容量負極材料。硅負極材料重要分為兩大類:晶體硅和氧化亞硅材料,硅材料雖然容量高,但是還存在很多問題,例如晶體硅膨脹大,循環性能差,氧化亞硅首次庫倫效率低等問題。為此,人們還在不斷的開發各種新型的高容量負極材料,例如N摻雜石墨類材料、過渡金屬鋰化物類材料,以及目前風頭正勁的金屬鋰負極材料等,近日中科院長春應化所的DongmingYin等設計了一種新型的無粘接劑CuO納米棒電極,該電極是通過直接在Cu箔上生長多孔CuO納米棒陣列獲得,該方法防止了粘接劑和導電劑的使用,使得CuO活性物質和Cu箔之間有更好的接觸。該電極比容量可達670mAh/g以上(100mA/g)以上,并卻具有良好的倍率性能和循環性能(100mA/g電流密度下,循環150次剩余容量可達671mAh/g)。


CuO材料的理論容量達到670mAh/g,并且具有豐富的資源儲量的優勢,但是CuO同樣也面對著充放電過程中體積膨脹過大的問題,納米化是解決材料膨脹大的問題的常見辦法,為了克服CuO電極膨脹大的問題,DongmingYin利用金屬有機物框架(MOFs)的方法直接在銅箔上生長了CuO多孔納米棒,該電極的具體制備方法如上圖所示,首先將銅箔浸入到7,7,8,8-四氰基喹啉甲烷TCNQ,TCNQ和Cu箔反應生成Cu-TCNQ,然后在250℃下進行熱處理后,Cu-TCNQ將轉化為CuO納米棒。


在TCNQ中處理不同時間獲得的Cu-TCNQ前驅體和在250℃下處理獲得CuO的形貌如下圖所示,從圖上我們可以看到隨著處理時間的延長,前驅體納米棒的數量逐漸新增,經過250℃處理后CuO很好的繼承了前驅體的形貌,并且相互之間連接在一起,形成多孔結構。


DongmingYin對上述制備的CuO負極進行了電化學測試,下圖為循環伏安測試結果,從圖上可以看到在第一個還原過程中在1.75V左右出現了一個弱的電流峰,在1.19V出現了一個強電流峰,在0.85V和0.62V分別出現了兩個中等強度的電流峰,此過程中發生的電化學反應如下所示。


容量測試表明該電極的容量發揮達到670mAh/g以上,并具有優良的循環和倍率性能,在100mA/g的電流密度下循環150次,該電極容量發揮可以達到671mAh/g,倍率測試也同樣表明該電極具有優異的電化學性能,在100,200,500和1000mAh/g的電流密度下,該電極的容量發揮可以分別達到730,554,434和367mAh/g,即便是在2000mA/g的電流密度下,該材料的容量發揮仍然可以達到300mAh/g。


目前該電極存在的最大的問題為首次效率低,該電極在首次充電時,其充電容量可達到1341mAh/g,遠遠高于其理論容量670mAh/g,但是首次效率僅為58%,導致這一現象的重要原因有兩點:1)反應過程中生成的Li2O不具有反應活性;2)電解液在CuO表面分解,納米材料較大的比表面積新增了電解液的分解數量,導致該CuO電極的首次效率較低。因此該材料應用還要配合補鋰技術使用。


DongmingYin等開發的利用金屬有機化合物MOFs方法直接在金屬箔上制備納米棒電極材料的方法,工藝簡單適合大規模生產,而且可以推廣到其他材料的電極,例如直接在銅箔上生長SiOx納米棒等,利用納米材料的優勢克服材料在充放電過程中的體積膨脹,因此該方法具有非常好的應用前景。


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