華中科技大學(xué)表面工程

1、表面工程在電極材料中的應(yīng)用丁庚王峰 鋰離子電池工作原理 表面工程在鋰離子電池中應(yīng)用舉例 超級電容器工作原理 表面工程在超級電容器中應(yīng)用舉例鋰離子電池 電池的正負(fù)極均采用可供鋰離子自由嵌脫的活性物質(zhì)。放電時(shí)。Li+從負(fù)極脫出，插入正極；充電時(shí)，Li+從正極逸出，嵌入負(fù)極。為保持電荷平衡，充放電過程中有相同數(shù)量電子經(jīng)外電路傳遞，在正負(fù)極進(jìn)行遷移。這種充放電過程, 恰似一把搖椅。因此, 這種電池又稱為搖椅電池( Rocking Chair Batteries)。 以LiCoO2 為正極材料, 石墨為負(fù)極材料的鋰離子電池, 原理如圖電極材料的選擇 在整個(gè)脫嵌過程中，鋰的插入和脫嵌可逆，且主體的結(jié)構(gòu)很少

2、發(fā)生變化 氧化還原的電位變化要盡可能小，這樣電池電壓沒有或很少發(fā)生變化，保持平穩(wěn)的充電和放電 電極材料應(yīng)有良好的電子導(dǎo)電率和離子導(dǎo)電率，這樣可減少極化，能進(jìn)行大電流充放 環(huán)境友好 價(jià)格適宜Mn3O4作為電極材料的一種新型結(jié)構(gòu)作為電極材料的一種新型結(jié)構(gòu)納米線陣列納米線陣列 Mn3O4的基本性質(zhì) 高的理論比容量(936mA h g-1) 無毒，自然界儲量充足，比Co便宜20倍左右兩個(gè)問題制約錳基材料在鋰電中的應(yīng)用 （1）Li在脫嵌過程中由于體積變化而使循環(huán)性能變差 （2）由于Mn3O4低的導(dǎo)電率而導(dǎo)致其較低的低倍率容量Wang J, Du N, Wu H, et al. Order-aligned

3、 Mn3O4 nanostructures as super high-rate electrodes for rechargeable lithium-ion batteriesJ. Journal of Power Sources, 2012. 在銅基片上合成銅納米線陣列 以有孔徑為200300nm小孔的陽極氧化鋁(AAO)為模版通過陰極電泳來制備銅納米線陣列，在使用銅箔之前先將其拋光 將Mn3O4沉積到所制的結(jié)構(gòu)上去 通過電化學(xué)的方法,以銅納米線陣列為工作電極,碳棒為對電極,Ag丨Agcl為參比電極,0.1mol/L的硫酸鈉和0.1mol/L的硫酸錳為電解液.以恒定的電流密度3mA cm

4、-2使Mn3O4沉積，90s后在400C下熱處理1hSiliconcarbon hollow coreshell heterostructures Si作為負(fù)極材料的優(yōu)勢 高的理論比容量4200mAh g-1（為當(dāng)前商業(yè)用的石墨的10倍） 低的放電電勢 制約Si作為負(fù)極材料的因素 Si本身低的導(dǎo)電率 Si與Li合金/去合金化過程中較大的體積變化導(dǎo)致容量快速衰退Zhou X, Tang J, Yang J, et al. Silicon carbon hollow core-shell heterostructures novel anode materials for lithium ion

5、batteriesJ. Electrochimica Acta, 2012.Siliconcarbon hollow coreshell heterostructures-Fe2O3納米棒作為鋰離子電池負(fù)極材料 優(yōu)勢 高的理論比容量（1007mAhg-1） 環(huán)境友好 儲量豐富 缺陷 脫嵌過程中巨大的提及變化（200%） 較差導(dǎo)電性 Ji L, Toprakci O, Alcoutlabi M, et al. -Fe2O3 Nanoparticle-Loaded Carbon Nanofibers as Stable and High-Capacity Anodes for Rechargeab

6、le Lithium-Ion BatteriesJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2012, 4(5): 2672-2679.PVP:聚乙烯吡咯烷酮 CNFs:納米碳纖維Ji L, Toprakci O, Alcoutlabi M, et al. -Fe2O3 Nanoparticle-Loaded Carbon Nanofibers as Stable and High-Capacity Anodes for Rechargeable Lithium-Ion BatteriesJ. ACS Applied Materials & I

7、nterfaces, 2012, 4(5): 2672-2679.-Fe2O3作為鋰電負(fù)極的一種新型結(jié)構(gòu)超級電容器電極材料的表面處理技術(shù)超級電容器電極材料碳材料（碳納米管，活性炭，石墨烯等）贗電容材料（過渡金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物）1.超級電容器電極材料介紹 傳統(tǒng)的超級電容器的材料是碳材料，但是碳材料的比電容比較低。而贗電容材料的比電容卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳材料，一般是碳材料比電容的10-100倍。兩種材料儲存電荷的原理不一樣，也導(dǎo)致了它們性能的不同。（1）碳材料的特點(diǎn) 碳材料由于在充放電過程中是以在電極-電解液界面上形成雙電層而儲存電能，是一種靜電狀態(tài)，不發(fā)生法拉第反應(yīng)。因此，碳材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能。

8、（2）贗電容材料的特點(diǎn) 贗電容材料在充放電過程中，主要是通過離子的吸附/脫附或者發(fā)生氧化還原反應(yīng)來儲存電能，是一個(gè)法拉第過程。 因此，贗電容材料的循環(huán)性能比較差。再者，贗電容材料的導(dǎo)電性一般都比較差。 基于以上兩種超級電容器電極材料儲能原理和性能的不同，作出以下分析：（1）碳材料：其儲能原理為在電極與電解液表面形成電性相反的雙電層，因此材料比表面積直接決定其容量的大小。為了獲得更大化的容量，我們希望材料的比表面積更大。所以，可以利用特殊方法制備多孔碳薄膜，比表面積大大增加，從而獲得更大的比容量。（2）贗電容材料：其儲能機(jī)理為電極材料表面的高度可逆的快速的法拉第反應(yīng)。贗電容材料主要的缺點(diǎn)是導(dǎo)電性

9、差、循環(huán)穩(wěn)定性差。因此，當(dāng)在其表面包覆碳材料，既可以提高導(dǎo)電性，又能夠有效地提高材料的穩(wěn)定性。3.電極材料的表面處理（1）碳包覆金屬氧化物材料主要方法：CVD法、浸漬法、熱解法、電弧法等。 碳包覆納米金屬氧化物作為一種金屬氧化物與碳復(fù)合的新型電極材料,兼具了碳材料的高功率性能以及金屬氧化物的高比容量等優(yōu)點(diǎn)。a. MnO2-CNT復(fù)合材料復(fù)合材料b.MnO2/CNT-RGO 改善導(dǎo)電性，增強(qiáng)循環(huán)性能c.PANI/RGO(2)多孔碳薄膜a. a.模板合成法模板合成法 將碳前驅(qū)體加入到膠體二氧化硅中，攪拌均勻后在惰性氣體的氣氛中高溫加熱使碳前驅(qū)體碳化，將產(chǎn)物放入到強(qiáng)堿溶液中，去除二氧化硅。b. b.化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVDCVD） 將Ar和C2H2按一定的比例加熱使C2H2裂解，后形成碳薄膜。其中C2H2作為碳源?？偨Y(jié) 綜上，許多電極材料