摘要
锂离子电池因为拥有较高的容量，工作时间长，以及环境友好等显著特点，成功占据了大部分便携式储能设备市场。三元钴基金属氧化物作锂离子电池负极材料，拥有高理论比容量，资源丰富，低成本等优点，同时也存在许多缺点，如导电性差，体积变化大等。为了提高其作负极材料的电化学性能，制备纳米结构的三元钴基金属氧化物是一种有效的解决方法。在本文中，我们首先采用化学气相沉积法在泡沫镍基底上生长石墨烯，然后通过水热反应在石墨烯上合成纳米结构的三元钴基金属氧化物，并将制备的纳米复合材料直接作锂离子电池负极，具体内容如下： (1)使用化学气相沉积法，以泡沫镍为基底生长石墨烯，生成的石墨烯缺陷较少，质量高且导电性能良好。经过测试，我们发现在泡沫镍上生长石墨烯直接作负极，拥有稳定的循环性能，但是比容量低，可以结合理论比容量高的材料作负极。 (2)我们在石墨烯泡沫镍基底上，利用水热法生长一维钴酸镍(NiCo2O4)纳米针阵列。一维纳米针阵列不仅拥有高比表面积，而且能缩短离子/电子的传递路径。该复合物作负极，经过长时间循环测试能够保持稳定的高比容量(230次循环后放电比容量为1493mAh/g)。倍率性能测试中，在高倍率下也能维持一定的比容量(电流密度高达8A/g，放电比容量为586mAh/g)。将循环后的复合材料作扫描电镜测试，发现其形貌仍能保持原来的完整性，说明了该材料的结构稳定性。 (3)由水热反应在石墨烯泡沫镍基底上合成二维钴酸锌(ZnCo2O4)纳米片阵列，我们将合成的材料直接作锂离子电池负极并进行电化学性能测试。在经过240次循环充放电后，该负极仍能保持1223mAh/g的放电比容量，且库仑效率高达97-99%。循环后的电极材料结构也未崩塌，确保了循环性能的稳定。 (4)经过低温水热反应，我们将乙二醇和去离子水作溶剂，在石墨烯泡沫镍上生长钴酸锌纳米薄片。纳米片层之间有充足的空隙，有效缓解了充放电过程中材料的体积膨胀。作为负极材料测试时，100次循环充放电后该材料具有1125mAh/g的可逆比容量，库仑效率高达98%。在倍率性能测试中，电流密度高达4A/g，电极仍能获得629mAh/g的可逆比容量，表现出优异的电化学性能。 通过以上研究内容，我们认为由三元钴基氧化物/石墨烯泡沫镍基底构成的纳米复合材料，在作为锂离子电池负极的应用方面具有显著优势。纳米金属氧化物和基底之间的协同作用，才促使复合材料作电极时可以拥有稳定的循环性能和优异的倍率性能，而且材料结构稳定，可以成为锂离子电池最有发展前景的负极材料之一。
NETL