【摘 要】
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传统锂离子电池是刚性的,在折叠、弯曲时易造成电极材料和集流体的分离,影响电化学性能,严重时导致短路。因此为了适应柔性电子设备的发展,柔性锂离子电池成为研究热点。而柔性一体化电极作为柔性锂离子电池的关键部件,得到越来越多关注。研究表明,TiO2作为一种新型的锂离子电池负极材料,因其放电电位适宜、零体积膨胀、环保、低成本、高安全性等特点而备受关注。但由于其理论容量较低,限制了其在锂离子电池中的实际应用
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传统锂离子电池是刚性的,在折叠、弯曲时易造成电极材料和集流体的分离,影响电化学性能,严重时导致短路。因此为了适应柔性电子设备的发展,柔性锂离子电池成为研究热点。而柔性一体化电极作为柔性锂离子电池的关键部件,得到越来越多关注。研究表明,TiO2作为一种新型的锂离子电池负极材料,因其放电电位适宜、零体积膨胀、环保、低成本、高安全性等特点而备受关注。但由于其理论容量较低,限制了其在锂离子电池中的实际应用。过渡金属氧化物如SnO2、硫化物如MoS2因它们具有较高的比容量和较高的工作电压,在一定程度上避免了锂枝晶的形成,但它们在循环过程中伴随不可避免的的大体积膨胀/收缩,引起电极粉化和不可逆容量损失,导致循环性能差。本文拟将TiO2与SnO2或MoS2复合,利用各组分之间的协同效应,提高复合材料的电化学性能,同时与构建柔性电极的思路结合,以期获得高性能柔性一体化的复合电极。具体研究内容如下:(1)采用两步水热法成功制备得到直接生长在碳布上的SnO2纳米棒和TiO2纳米棒核壳结构的复合材料(r-TiO2-NRs@r-SnO2-NRs/CC),并直接拿来用作锂离子电池的柔性复合电极。实验结果表明,该柔性复合电极具有较高的初始库仑效率和较高的可逆容量,由于r-TiO2-NRs和r-SnO2-NRs之间的协同效应以及独特的纳米结构共同作用导致复合后的r-TiO2-NRs@r-SnO2-NRs/CC比单独分的电化学性能有了明显的提升。密度泛函理论(DFT)计算分析也表明,由于结构异质化后导致其结构带隙的改变,使r-TiO2-NRs@r-SnO2-NRs异质结构比单组分物质具有更快的电子传输,导致复合材料r-TiO2-NRs@r-SnO2-NR具有更优异的电化学性能。(2)采用两步法水热法制备了直接生长在碳布上的TiO2纳米棒和MoS2纳米片阵列的复合柔性电极(TiO2-NRs@MoS2-NSs/CC),并直接用作锂离子电池的负极。电池测试结果表明,相比单组分的TiO2-NRs/CC和MoS2-NSs/CC电极的电化学性能,TiO2-NRs@MoS2-NSs/CC电极明显具有更优的电化学性能。研究表明MoS2-NSs直接生长在TiO2-NRs上会有更大的表面积与电解液直接接触,同时MoS2-NSs之间存在的空隙也缓冲了锂离子嵌入/脱出过程中的体积膨胀。这些导致复合材料TiO2-NRs@MoS2-NSs/CC的电化学性能得到明显改善。
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