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喷墨打印锂离子薄膜电极和复合超电容材料的制备及电化学性能研究

2020-11-23阅读(619)

喷墨打印锂离子薄膜电极和复合超电容材料的制备及电化学性能研究

论文摘要

随着微电子机械系统（MEMS）和超大规模集成电路技术（VLSI）的发展，对能源的微型化、集成化提出了越来越高的要求。民用电子器件如传感器、智能卡、便携式电子设备等众多领域的迅猛发展，也对化学电源的小型化、微型化和薄膜化提出了更高的要求。全固态薄膜锂离子电池因其良好的集成兼容性和电化学性能成为MEMS、VLSI、智能卡等能源微型化、集成化的最佳选择。近年来，人们一直在寻求锂离子薄膜微电池的最佳制备技术。超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，它具有很高的功率密度、超长循环寿命以及能在低压下操作等特点。因此在大功率脉冲电源、电动车驱动电源等领域有广泛用途。另一方面，超电容虽然有非常优越的功率密度，但是最大的问题就是能量密度比较低。为了提高超电容的能量密度，负载型复合超电容材料也成为一大研究热点。本论文分为两大部分。第一部分，利用新颖的喷墨打印方法制备锂离子薄膜电极并对其电化学性能进行详细的表征和深入的研究。第二部分，将纳米水合钌氧化物粒子负载在介孔碳上制备出复合材料，并详细考察其作为超电容材料的电化学性能。本论文的主要研究结果如下：1．利用喷墨打印技术制备薄膜电极需要使用纳米尺寸的电极材料。本文利用P123嵌段共聚物表面活性剂作为结构导向剂，通过溶胶凝胶方法合成得到了用作锂离子电池正极材料的纳米单晶LiCoO2和LiMn2O4、用作锂离子电池负极的SnO2和Li4Ti5O12纳米多晶粉体以及可用于锂二次电池正极的单晶V2O5。其中纳米单晶LiMn2O4和单晶V2O5是首次采用该方法合成。通过对材料的结构分析以及电化学性能测试，得出如下结论：用P123作为模板剂通过溶胶凝胶方法在750℃氧气氛下热处理20h合成了具有理想层状岩盐结构的纳米单晶LiCoO2，首次放电比容量可达149mAh／g，50次循环后容量保持率约为80％：用P123作为模板剂通过溶胶凝胶方法在750℃热处理6h得到直径在50nm以下具有金红石四方相结构的纳米多晶SnO2；用P123作模板剂450℃下热处理4h得到纳米TiO2，然后用所制备的纳米TiO2和LiOH·H2O作为反应物、丙酮作为球磨介质湿法球磨辅助进行固相反应合成，得到了具有尖晶石结构的纳米Li4Ti5O12粒子（氧气氛下900℃煅烧8 h），所制备的纳米Li4Ti5O12具有非常优异的循环性能和较高的放电比容量，首次放电比容量可达155 mAh／g，首次库仑效率为98.3％。在后续的循环过程中充放电效率接近100％；首次用P123作为模板剂通过溶胶凝胶方法在750℃氧气氛下煅烧15 h，得到晶粒生长完美、粒径在100～300 nm之间的纳米单晶LiMn2O4，在充放电倍率分别为0.2C、1C和2C时首次放电比容量分别约为110mAh／g、103mAh／g和90mAh／g，说明所制备的纳米单晶LiMn2O4具有较为优良的倍率特性；首次用P123作为模板剂通过溶胶凝胶方法600℃热处理2h得到具有四方棱锥体形貌的单晶V2O5，在电流密度为20 mA／g、电位区间为3.5～1.5V循环时首次放电比容量约为390mAh／g。经过35次循环后放电比容量为186mAh／g。容量损失主要在前三个循环，主要是由于在深度嵌锂（放电）过程中发生了不可逆相转变。2．采用喷墨打印方法的关键是纳米粒子在分散体系中的稳定性。怎样使具有电化学活性的锂离子电池材料在水体系中十分均匀地稳定分散，是工艺成功的关键步骤。本文首次通过联合采用空间位阻型聚合物分散剂和湿法球磨工艺成功地解决了喷墨打印技术中的墨水制备问题，成功地制备出了可用于锂离子电池的薄膜LiCoO2正极、薄膜SnO2负极、薄膜Li4Ti5O12负极，建立了方便快速的喷墨打印制备薄膜电极的方法，并对薄膜电极的形貌和电化学性能进行了深入的研究。3．用喷墨打印方法在商用铝箔上制备了厚度仅为1.27μm的薄膜LiCoO2正极，在电位区间为3.0～4.2V、电流密度约为40μA／cm2时的可逆放电容量约为15μAh／cm2.μm，但是这种直接喷墨打印出的LiCoO2薄膜正极的充放电稳定性较差。主要原因是由于在墨水制备的过程中球磨工艺对其晶体结构造成了一定程度的破坏，另外Co在墨水体系中的溶出以及高分子分散剂对纳米粒子的包覆也对薄膜电极的电化学性能有一定的影响。试验表明球磨过程使得原来具有理想的层状岩盐结构的LiCoO2材料中阳离子无序度明显增加，不可逆相变加剧，而且小粒径的LiCoO2材料受球磨影响更为严重。对喷墨打印在蒸金铝箔上的LiCoO2薄膜正极进行了轻微的后续热处理（450℃，30min）可使不可逆相变减弱，明显提高材料的电化学稳定性。在电流密度为20μA／cm2时薄膜LiCoO2电极的首次放电容量为20.31μAh／cm.μm(81mAh.g-1)。充放电过程中库仑效率先是逐渐上升，10次后其充放电效率可接近100％，第50次循环时的放电比容量为18μAh／cm2.μm(71 mAh.g-1)，保持初次容量的87％。4．首次采用新颖的喷墨打印方法在商用铜箔上成功制备出了可用于锂离子电池负极的SnO2薄膜电极，薄膜电极的厚度可以通过改变打印层数来进行调节。其中，单层打印电极的厚度约为770～780nm，10层打印电极在8 Mpa压延后的平均厚度约为2.3μm。打印薄膜SnO2电极仍然具有四方相的金红石晶体结构。循环伏安曲线表明，峰电流和扫描速度呈现较好的线性关系，体现了薄层电极的重要特征。在电流密度为33μA/cm2时，薄膜电极的首次放电比容量高达812.7mAh／g，循环性能也得到了一定程度的改善，这主要是由于薄膜化可以在一定程度上缓解由于体积膨胀收缩而造成的活性物质的失活以及高度分散的导电剂乙炔黑在薄膜中起到的“缓冲基质”的作用。薄膜电极容量衰减的主要原因是纳米SnO2粒子的团聚以及在循环过程的体积膨胀和收缩而造成的粉化现象。5．首次采用新颖的喷墨打印方法成功制备出了可用于锂离子电池负极的Li4Ti5O12薄膜电极。在商用铜箔基底上采用喷墨打印方法制备了薄膜厚度非常均匀一致的Li4Ti5O12薄膜电极。在电流密度为20.8μA／cm2时首次比容量可达172mAh／g，接近理论容量。50次循环后比容量约为107.8mAh／g，容量保持率为62.7％。在电流密度高达208μA／cm2时的放电比容量仍可达173mAh／g，体现了薄膜电极优越的倍率特性。存在问题是薄膜电极的充放电稳定性较差。对打印在金片基底上的Li4Ti5O12薄膜在550℃下热处理90 min得到热处理薄膜Li4Ti5O12电极，试验结果表明热处理薄膜电极的充放电稳定性显著提高。循环伏安测试表明峰电流和扫描速度呈现非常好的线性关系，体现了薄层电极的特征。经过后续热处理的薄膜Li4Ti5O12电极和热处理LiCoO2薄膜电极一样，存在一个“活化”阶段。经过300次循环后，薄膜电极的容量保持率约为峰值比容量（172 mAh／g）的88％，显示了优越的循环稳定性。薄膜电极的高比容量可以归因于以下两个方面：纳米尺寸的Li4Ti5O12有利于活性物质的充分利用；高比表面Li4Ti5O12的双电层电容贡献。6．用介孔氧化硅分子筛（SBA-15）作为硬模板，用蔗糖作为碳源通过两遍浸渍制备了有序介孔碳（MC）。采用液相吸附的方法将低量的RuO2.xH2O纳米粒子以溶胶的形式首次负载在介孔碳上得到RuO2.xH2O／MC复合材料（载Ru量为0.9～5.4wt％）并对其电容器性能进行了详细的研究。分析表明RuO2.xH2O／MC复合材料不仅比电容明显增加，而且还保持了介孔碳优越的倍率特性。当扫描速度为25 mVs-1、电位区间-0.2～0.8V（vs.Ag／AgCl）、在0.1M H2SO4水溶液电解质体系中，载钌量为3.6％的复合材料比电容从115增加到181 F／g，增加幅度约为57％。通过扣除介孔碳在复合材料中的电容贡献可估算出水合钌氧化物的比电容高达1527 F／g，表明复合材料中水合钌氧化物具有很好的利用率。负载的RuO2.xH2O纳米粒子在介孔碳载体上呈现的高度分散的状态以及具有无定形水合物结构是其同时表现出高比电容和高利用率的主要原因。载钉量为3.6％的复合材料经过1000次循环后其比电容保持率仍为97.2％，表明复合材料具有优异的循环稳定性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 锂离子电池简介
  • 1.1.1 锂离子电池的工作原理
  • 1.1.2 锂离子电池的正负极材料简介
  • 1.1.2.1 锂离子电池正极材料
  • 1.1.2.2 锂离子电池负极材料
  • 1.2 全固态薄膜锂离子电池研究进展
  • 1.2.1 全固态薄膜锂电池和全固态薄膜锂离子电池的区别
  • 1.2.2 全固态薄膜锂电池的研究简介
  • 1.2.3 全固态薄膜锂离子电池的研究简介
  • 1.3 薄膜锂离子电极的制备方法简介
  • 1.3.1 溅射沉积
  • 1.3.2 蒸发沉积
  • 1.3.3 化学气相沉积
  • 1.3.4 溶胶凝胶旋转涂膜方法
  • 1.3.5 其它薄膜制备方法
  • 1.4 喷墨打印技术制备锂离子薄膜电极和电池
  • 1.4.1 喷墨打印方法制备薄膜电极的优点和挑战性
  • 1.4.2 喷墨打印技术在其它领域中的应用介绍
  • 1.4.2.1 喷墨打印技术在电子制造业领域中的应用
  • 1.4.2.2 喷墨打印技术在陶瓷制品领域中的应用
  • 1.4.2.3 喷墨打印技术在生物工程和生物分析领域的应用
  • 1.4.2.4 用喷墨打印方法制备高分子薄膜
  • 1.4.3 纳米电极材料的合成方法简介
  • 1.4.4 纳米粉体的分散
  • 1.4.4.1 分散体系的定义
  • 1.4.4.2 分散稳定性的概念
  • 1.4.4.3 破坏分散稳定性的主要因素
  • 1.4.4.4 颗粒间的相互作用
  • 1.4.4.5 悬浮液中颗粒分散的依据
  • 1.4.4.6 分散稳定机理
  • 1.4.4.7 颗粒在液相中的分散与调控
  • 1.4.4.8 分散剂的分类
  • 1.4.4.9 高分子分散剂的结构特点和分散性能
  • 1.4.5 喷墨打印技术介绍
  • 1.4.5.1 喷墨打印技术的原理
  • 1.4.5.2 喷墨打印墨水的各项理化指标
  • 1.4.5.3 制备墨水用的材料和要求
  • 1.4.5.4 墨水的制备工艺
  • 1.5 超级电容器简介
  • 1.5.1 双电层电容器、超电容以及电化学电容器的基本概念
  • 1.5.2 超级电容器、二次电池以及传统物理电容器
  • 1.5.3 超级电容器的分类
  • 1.5.3.1 按照储能机理分类
  • 1.5.3.2 按照电极材料种类分类
  • 1.6 本论文的主要研究内容和创新点
  • 参考文献
  • 第二章 实验技术及试剂
  • 2.1 实验用的主要药品及仪器
  • 2.1.1 实验药品
  • 2.1.2 实验仪器
  • 2.2 表征手段
  • 2.2.1 结构和形貌表征
  • 2.2.2 电化学性能表征
  • 2.2.3 其它试验技术
  • 参考文献
  • 第三章 纳米和单晶电极材料的制备与表征
  • 3.1 软模板法合成纳米材料简介
  • 3.2 实验
  • 3.3 试验结果与讨论
  • 2的制备与表征'>3.3.1 LiCoO2的制备与表征
  • 2的制备'>3.3.1.1 纳米LiCoO2的制备
  • 2的结构表征'>3.3.1.2 纳米LiCoO2的结构表征
  • 2的电化学性能表征'>3.3.1.3 纳米LiCoO2的电化学性能表征
  • 2的制备与表征'>3.3.2 纳米SnO2的制备与表征
  • 2的制备'>3.3.2.1 纳米SnO2的制备
  • 2的结构表征'>3.3.2.2 纳米SnO2的结构表征
  • 2的循环伏安曲线'>3.3.2.3 纳米SnO2的循环伏安曲线
  • 4Ti5O12的制备与表征'>3.3.3 纳米Li4Ti5O12的制备与表征
  • 4Ti5O12粒子的制备'>3.3.3.1 纳米Li4Ti5O12粒子的制备
  • 4Ti5O12粒子的结构表征'>3.3.3.2 纳米Li4Ti5O12粒子的结构表征
  • 4Ti5O12粒子的电化学性能表征'>3.3.3.3 纳米Li4Ti5O12粒子的电化学性能表征
  • 2O4的制备与表征'>3.3.4 纳米单晶LiMn2O4的制备与表征
  • 2O4的制备'>3.3.4.1 纳米单晶LiMn2O4的制备
  • 2O4的结构表征'>3.3.4.2 纳米单晶LiMn2O4的结构表征
  • 2O4的电化学性能表征'>3.3.4.3 纳米单晶LiMn2O4的电化学性能表征
  • 2O5的制备与表征'>3.3.5 单晶V2O5的制备与表征
  • 2O5的制备'>3.3.5.1 单晶V2O5的制备
  • 2O5的结构表征'>3.3.5.2 单晶V2O5的结构表征
  • 2O5的电化学性能表征'>3.3.5.3 单晶V2O5的电化学性能表征
  • 3.4 本章小结
  • 参考文献
  • 2薄膜正极的研究'>第四章 喷墨打印LiCoO2薄膜正极的研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 喷墨打印墨水的制备
  • 4.2.1 分散介质的选择
  • 4.2.2 墨水分散体系的组成
  • 4.2.3 分散体系的调控-湿法球磨
  • 4.2.4 分散体系稳定性的评价方法
  • 4.2.5 打印墨水的制备流程
  • 2电极的制备和表征'>4.3 薄膜LiCoO2电极的制备和表征
  • 2电极的制备'>4.3.1 薄膜LiCoO2电极的制备
  • 2电极的结构表征'>4.3.2 未经后续热处理的薄膜LiCoO2电极的结构表征
  • 4.3.2.1 球磨分散前后的粒径变化
  • 2薄膜电极的SEM照片'>4.3.2.2 打印LiCoO2薄膜电极的SEM照片
  • 4.3.2.3 XRD图谱
  • 2电极的电化学性能表征'>4.3.3 薄膜LiCoO2电极的电化学性能表征
  • 4.3.3.1 循环伏安结果
  • 4.3.3.2 恒流充放电试验
  • 2结构和性能的影响'>4.4 墨水制备过程对纳米LiCoO2结构和性能的影响
  • 4.4.1 球磨工艺的影响
  • 4.4.1.1 球磨体系和球磨条件
  • 2结构和性能的影响'>4.4.1.2 球磨对纳米LiCoO2结构和性能的影响
  • 4.4.1.3 交流阻抗测试
  • 2材料的恒流充放试验'>4.4.1.4 两种具有不同粒径的LiCoO2材料的恒流充放试验
  • 4.4.2 高分子分散剂的影响
  • 4.4.3 溶剂体系的影响
  • 2电极的制备和表征'>4.5 热处理薄膜LiCoO2电极的制备和表征
  • 2电极的制备'>4.5.1 热处理薄膜LiCoO2电极的制备
  • 2/蒸金铝箔薄膜电极的结构表征'>4.5.2 热处理打印LiCoO2/蒸金铝箔薄膜电极的结构表征
  • 4.5.2.1 实物照片
  • 4.5.2.2 正面和侧面SEM照片
  • 4.5.2.3 XRD图谱
  • 2电极的电化学性能表征'>4.5.3 热处理薄膜LiCoO2电极的电化学性能表征
  • 4.5.3.1 循环伏安结果
  • 4.5.3.2 恒流充放电试验
  • 4.6 本章小结
  • 参考文献
  • 2薄膜负极的研究'>第五章 喷墨打印SnO2薄膜负极的研究
  • 5.1 引言
  • 2负极的制备和表征'>5.2 薄膜SnO2负极的制备和表征
  • 2负极的制备'>5.2.1 薄膜SnO2负极的制备
  • 2负极的结构表征'>5.2.2 薄膜SnO2负极的结构表征
  • 5.2.2.1 SEM照片
  • 5.2.2.2 XRD图谱
  • 5.2.2.3 EDX图谱
  • 2电极的电化学性能表征'>5.2.3 薄膜SnO2电极的电化学性能表征
  • 5.2.3.1 循环伏安结果
  • 5.2.3.2 恒流充放电试验
  • 5.2.3.3 交流阻抗图谱
  • 2电极的容量衰减机理研究'>5.2.4 薄膜SnO2电极的容量衰减机理研究
  • 5.3 本章小结
  • 参考文献
  • 4Ti5O12薄膜负极的研究'>第六章 喷墨打印Li4Ti5O12薄膜负极的研究
  • 6.1 引言
  • 4Ti5O12薄膜负极的制备和表征'>6.2 Li4Ti5O12薄膜负极的制备和表征
  • 4Ti5O12薄膜负极的制备'>6.2.1 Li4Ti5O12薄膜负极的制备
  • 4Ti5O12薄膜电极的结构表征'>6.2.2 Li4Ti5O12薄膜电极的结构表征
  • 4Ti5O12/铜箔薄膜电极的实物照片'>6.2.2.1 Li4Ti5O12/铜箔薄膜电极的实物照片
  • 4Ti5O12/铜箔薄膜电极的正面SEM照片'>6.2.2.2 Li4Ti5O12/铜箔薄膜电极的正面SEM照片
  • 4Ti5O12/铜箔薄膜电极的侧面SEM照片'>6.2.2.3 打印Li4Ti5O12/铜箔薄膜电极的侧面SEM照片
  • 4Ti5O12/铜箔薄膜电极EDX图谱'>6.2.2.4 打印Li4Ti5O12/铜箔薄膜电极EDX图谱
  • 4Ti5O12/铜箔薄膜电极的电化学性能表征'>6.2.3 打印Li4Ti5O12/铜箔薄膜电极的电化学性能表征
  • 6.2.3.1 循环伏安结果
  • 6.2.3.2 交流阻抗图谱
  • 6.2.3.3 恒流充放电试验
  • 4Ti5O12薄膜电极的制备和表征'>6.3 热处理Li4Ti5O12薄膜电极的制备和表征
  • 4Ti5O12薄膜电极的制备'>6.3.1 热处理打印Li4Ti5O12薄膜电极的制备
  • 4Ti5O12/Au薄膜负极的SEM照片'>6.3.2 热处理Li4Ti5O12/Au薄膜负极的SEM照片
  • 4Ti5O12薄膜负极的电化学性能表征'>6.3.3 热处理Li4Ti5O12薄膜负极的电化学性能表征
  • 6.3.3.1 循环伏安结果
  • 6.3.3.2 恒流充放电试验
  • 6.3.3.3 交流阻抗图谱
  • 6.4 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 超电容复合材料的制备及其电化学性能研究
  • 7.1 引言
  • 2·xH2O/MC复合材料的制备和超电容性质研究'>7.2 RuO2·xH2O/MC复合材料的制备和超电容性质研究
  • 2·xH2O/MC复合材料的制备'>7.2.1 RuO2·xH2O/MC复合材料的制备
  • 7.2.1.1 介孔碳MC的制备
  • 2.xH2O纳米粒子的制备'>7.2.1.2 水合钌氧化物RuO2.xH2O纳米粒子的制备
  • 2·xH2O/MC复合材料的制备'>7.2.1.3 RuO2·xH2O/MC复合材料的制备
  • 7.2.1.4 表征
  • 2·xH2O/MC复合材料的结构和形貌表征'>7.2.2 RuO2·xH2O/MC复合材料的结构和形貌表征
  • 7.2.2.1 SEM和TEM照片
  • 7.2.2.2 XRD图谱和BET结果
  • 7.2.2.3 TEM和SAED照片
  • 2·xH2O/MC复合材料的电化学性能表征'>7.2.3 RuO2·xH2O/MC复合材料的电化学性能表征
  • 7.2.3.1 循环伏安曲线
  • 7.2.3.2 计时电位曲线
  • 7.2.3.3 交流阻抗图谱
  • 7.3 本章小结
  • 参考文献
  • 博士期间发表论文
  • 致谢

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