華中科技大學表面工程

華中科技大學表面工程第一頁，共23頁。鋰離子電池工作原理表面工程在鋰離子電池中應用舉例超級電容器工作原理表面工程在超級電容器中應用舉例第二頁，共23頁。鋰離子電池電池的正負極均采用可供鋰離子自由嵌脫的活性物質。放電時。Li+從負極脫出，插入正極；充電時，Li+從正極逸出，嵌入負極。為保持電荷平衡，充放電過程中有相同數量電子經外電路傳遞，在正負極進行遷移。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(RockingChairBatteries)。第三頁，共23頁。以LiCoO2為正極材料,石墨為負極材料的鋰離子電池,原理如圖第四頁，共23頁。電極材料的選擇在整個脫嵌過程中，鋰的插入和脫嵌可逆，且主體的結構很少發(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有良好的電子導電率和離子導電率，這樣可減少極化，能進行大電流充放環(huán)境友好價格適宜第五頁，共23頁。Mn3O4作為電極材料的一種新型結構——納米線陣列Mn3O4的基本性質

高的理論比容量(936mAhg-1)無毒，自然界儲量充足，比Co便宜20倍左右兩個問題制約錳基材料在鋰電中的應用（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低的導電率而導致其較低的低倍率容量WangJ,DuN,WuH,etal.Order-alignedMn3O4nanostructuresassuperhigh-rateelectrodesforrechargeablelithium-ionbatteries[J].JournalofPowerSources,2012.第六頁，共23頁。在銅基片上合成銅納米線陣列以有孔徑為200~300nm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沉積到所制的結構上去通過電化學的方法,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3mAcm-2使Mn3O4沉積，90s后在400°C下熱處理1h第七頁，共23頁。第八頁，共23頁。Silicon@carbonhollowcore–shellheterostructuresSi作為負極材料的優(yōu)勢

高的理論比容量4200mAhg-1（為當前商業(yè)用的石墨的10倍）

低的放電電勢制約Si作為負極材料的因素Si本身低的導電率Si與Li合金/去合金化過程中較大的體積變化導致容量快速衰退ZhouX,TangJ,YangJ,etal.Silicon@carbonhollowcore-shellheterostructuresnovelanodematerialsforlithiumionbatteries[J].ElectrochimicaActa,2012.第九頁，共23頁。Silicon@carbonhollowcore–shellheterostructures第十頁，共23頁。α-Fe2O3納米棒作為鋰離子電池負極材料優(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%）

較差導電性

JiL,ToprakciO,AlcoutlabiM,etal.α-Fe2O3Nanoparticle-LoadedCarbonNanofibersasStableandHigh-CapacityAnodesforRechargeableLithium-IonBatteries[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2012,4(5):2672-2679.第十一頁，共23頁。PVP:聚乙烯吡咯烷酮CNFs:納米碳纖維JiL,ToprakciO,AlcoutlabiM,etal.α-Fe2O3Nanoparticle-LoadedCarbonNanofibersasStableandHigh-CapacityAnodesforRechargeableLithium-IonBatteries[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2012,4(5):2672-2679.α-Fe2O3作為鋰電負極的一種新型結構第十二頁，共23頁。超級電容器電極材料的表面處理技術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遠高于碳材料，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，也導致了它們性能的不同。第十三頁，共23頁。（1）碳材料的特點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。因此，碳材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能。（2）贗電容材料的特點

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)生氧化還原反應來儲存電能，是一個法拉第過程。

因此，贗電容材料的循環(huán)性能比較差。再者，贗電容材料的導電性一般都比較差。第十四頁，共23頁?；谝陨蟽煞N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：其儲能機理為電極材料表面的高度可逆的快速的法拉第反應。贗電容材料主要的缺點是導電性差、循環(huán)穩(wěn)定性差。因此，當在其表面包覆碳材料，既可以提高導電性，又能夠有效地提高材料的穩(wěn)定性。第十五頁，共23頁。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。a.MnO2-CNT復合材料第十六頁，共23頁。第十七頁，共23頁。b.MnO2/CNT-RGO

改善導電性，增強循環(huán)性能c.PANI/RGO第十八頁，共23頁。(2)多孔碳薄膜a.模板合成法將碳前驅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體碳化，將產物放入到強堿溶液中，去除二氧化硅。第十九頁，共23頁。b.化學氣相沉積（CVD）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。第二十頁，共23頁?？偨Y綜上，許多電極材料本身有著優(yōu)越的性能，可是又有某一方面的缺陷