氧化铜自支撑3D微纳米电极的构筑与储锂性能研究.pdf

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工学博士学位论文


氧化铜自支撑 3D 微纳米电极的构筑与储锂
性能研究





博士研究生: 陈欣
导师: 孙克宁教授
张乃庆副教授
申请学位: 工学博士
学科: 化学工程与技术
所在单位: 化学系
答辩日期:20 12 年 10 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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U. D. C.:



Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering



DESIGN AND PROPERTIES ON CuO
SELF-SUPPORTED 3D MICRO/NANO-
ELECTRODES FOR LITHIUM ION BATTERIES





Candidate: Chen Xin
Supervisor: Prof. Sun Kening
Associate Prof. Zhang Naiqing
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Chemical Engineering and
Technology
Affiliation: Department of Chemistry
Date of Defence: Oct. 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要

摘要
氧化铜(CuO)作为一种重要的过渡金属氧化物,表现出很高的可逆容量,
是一种很有前景的应用于电动车、混合电动车领域的锂离子电池阳极材料。为了
满足电动车用锂离子电池对功率密度和能量密度的需求,毫无疑问,必须大力改
进 CuO 的高倍率能力与循环性能。基于 CuO 的电子导电性、结构稳定性和锂离
子在电极材料中的扩散长度的考虑,本论文设计出四种由直接生长在导电基底
(Cu、Ni 和不锈钢)上的微纳米结构及负载在微纳米结构上的活性材料组成的
自支撑三维(three dimension, 3D)微纳米电极(3DMNEs)。
采用氨蒸发相腐蚀路线,制备了一种直接生长在紫铜带基底上的 CuO 介孔纳
米片团簇阵列(CuO MNCAs)电极。控制氨水的浓度和氨蒸发腐蚀的时间,可
以制备出不同厚度的 CuO MNCAs。CuO MNCAs 具有很高的比表面积( m2
g-1),直接用作锂离子电池阳极,表现出优异的倍率性能。厚约 µm 的 CuO
MNCAs 在 10C 倍率下的放电容量高达 mAh g-1,为 CuO 理论容量的 %,
随着 CuO MNCAs 厚度的增加,CuO 与紫铜带基底的粘结力变差,倍率性能逐
渐降低。
采用氨蒸发相腐蚀路线,构造出一种直接生长在商用铜箔基底上的 CuO 分等
级介孔纳米片自组装齿轮状圆柱阵列(CuO HMNGPAs)电极。改变氨蒸发相腐
蚀的温度、浓度和时间,CuO HMNGPAs 可以转化成微米块和纳米片结构。CuO
HMNGPAs 具有很高的比表面积( m2 g-1),大量的孔径为 3-10 nm 的介孔
结构。直接用作锂离子电池阳极,微米块体结构和纳米片结构 CuO 的可逆容量
迅速衰减,CuO HMNGPAs 在 充放电循环 100 次后的放电容量达 mAh
g-1,10C 倍率下放电容量达 mAh g-1,为 CuO 理论容量的 %。
采用阳极极化路线,设计出一种直接生长在紫铜带基底上的具有高倍率储锂
性能的 CuO 松针状阵列电极。控制实验条件,松针状阵列 CuO 可以转化成纳米
针阵列和分散型松针结构 CuO。直接用作锂离子电池阳极,松针状阵列、纳米
针阵列和分散型松针结构 CuO 都表现出优异的储锂性能。其倍率储锂性能关系
为:松针状阵列 CuO>纳米针阵列 CuO>分散型松针结构 CuO。在 10C、15C
和 20C 倍率下充放电时,松针状阵列 CuO 的放电容量为 、 和 mAh
g-1,其中 10C 倍率容量为理论容量 %。2C 循环 100 次后,松针状阵列 C