3D纳米结构铜集流体上锗电极的制备及电化学性能研究

摘要

Ge因为其极高的比容量，被认为是下一代极具前景的锂离子电池负极材料。然而，由于Ge作为锂离子电池负极材料时严重的体积膨胀(370％)容易造成 Ge活性物质的损失，使得Ge的比容量急剧下降，不利于电池容量的稳定性保持，故设计出合理的Ge电极以减少 Ge在充放电过程中的损失，成为国内外科学家研究的重点，也面临着很大的挑战。具有3D结构的集流体可以为Ge活性物质在充放电过程中的体积膨胀提供缓冲空间，防止Ge出现粉化脱落等优点。因此本论文通过制备特殊形貌铜集流体，构筑3D结构铜集流体，在其上制备锗电极材料，深入研究集流体的结构对构筑的电极材料电化学性能的影响。
　　首先通过用电镀法，制备出枝晶铜集流体，在此集流体上负载锗薄膜，制备三维纳米Cu/Ge电极，对其进行SEM、XRD等分析测试，并以此Cu/Ge电极组装电池测试其储锂性能，与商业用集流体进行比较。结果表明，在C/10倍率下，首次充放电比容量分别为1171.3mAh/g和1700.6mAh/g，首次库伦效率为68.88%，经过100次循环后，充放电比容量为821.1mAh/g与856.1mAh/g，优于商业用铜集流体材料，同时倍率性能与商业铜集流体相比，也得到了显著提高。
　　采用氢气泡沫法制备了多孔铜集流体，研究多种因素，如电镀时间、铜盐浓度、电极间距对铜集流体孔形貌和结构的影响，得到最佳的工艺参数。在多孔铜集流体上负载 Ge薄膜，经过高温退火处理后，得到三维纳米多孔 Ge电极，该电极由于其良好的导电性、高比表面积和多孔结构，表现出良好的储锂性能。在C/10倍率下，首次充放电比容量分别为1351.6mAh/g和1767.5mAh/g，首次库伦效率达到76.47%，100次循环后，放电比容量保持为1260mAh/g，表现出优异的循环稳定性。同时在倍率为5C时，比容量达到420.1mAh/g，具备良好的高倍率性能。
　　以离子液体电沉积方法制备棒状铜集流体，通过研究沉积电位对铜集流体形貌的影响，制备出不同电位下的菜花状铜集流体，并用离子液体电沉积法在铜集流体上负载锗薄膜，设计了耐腐蚀性、稳定性强的棒状与菜花状Cu/Ge电极。通过研究其充放电性能，得出棒状集流体由于没法为Ge在充放电过程中的体积膨胀提供缓冲空间而使得其比容量下降较快，而菜花状集流体，在沉积电压为-1.4V时得到的集流体，在C/10下，首次放电比容量为1776.8mAh/g，经过100次循环后，比容量依旧为655.6mAh/g，表现出较好的循环稳定性。

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第一章 绪论

1.1 前言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池负极材料的研究进展

1.4 铜集流体作为锂离子电池负极材料的研究现状

1.5 离子液体简述

1.6 课题的研究目的及研究内容

第二章 实验方法

2.1 材料合成

2.2 材料表征

2.3 电化学测试

第三章 枝晶状Cu/Ge负极的构筑及性能研究

3.1 锗的离子液体电沉积

3.2 枝晶状铜集流体/Ge电极的电化学研究

3.3 本章小结

第四章 多孔Cu/Ge电极的构筑及电化学性能研究

4.1 多孔铜集流体的形貌表征

4.2 多孔铜薄膜制备工艺参数研究箔

4.3 多孔铜集流体上负载锗的研究

4.4 本章小结

第五章 菜花状Cu/Ge电极的构筑及电化学性能研究

5.1 棒状铜集流体的研究

5.2 菜花状铜集流体的研究

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士期间学术成果

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