基于高弹性三维石墨烯的可压缩锂离子电池及其性能研究

【摘要】：近年来,可穿戴电子设备的发展逐渐兴起,需要能够与之相匹配的储能器件,这些器件能够在多种形变下保持稳定的储能性能。然而目前该领域的研究主要集中于可弯曲或可拉伸的柔性储能方向,而对于可压缩/回复的储能器件的研究还非常稀少。锂离子电池(LIB)是一种电压高、自放电小、循环寿命长且安全性能好的储能器件,目前对可压缩LIB的研究逐渐引起人们的重视。高弹性三维石墨烯由于具有优异的回弹性、大比表面积、多孔结构等特性,具有作为可压缩锂离子电池电极的前景。本文以高弹性三维石墨烯为骨架,向其中负载正极活性物质和负极活性物质,获得复合电极材料,并进一步组装成可压缩/回复的准全固态锂离子电池,研究复合电极和电池在压缩/回复过程中的机械性能和储能性能,主要结果如下:(1)首先采用冰模板法制备三维高弹性石墨烯,通过浸渍、水解等过程,将氧化钴、二氧化钛等活性物质于三维石墨烯中可获得可压缩复合电极,微观形貌表征显示活性物质颗粒在三维石墨烯内部可均匀分散,压缩回复测试显示复合材料的可回复压缩形变达到90%,压缩回500次以上也能保持回弹性。(2)将所获得的可压缩电极材料组装成基于液体电解质的半电池,测试结果显示,在未压缩条件下,三维石墨烯/氧化钴复合电极材料和三维石墨烯/二氧化钛复合电极材料的质量比容量分别可达到445.5和242.5 m Ah g~(-1)。并且在90%压缩形变下两种电极材料仍可保留90%以上质量比容量,证明在这种可压缩电极在大压缩形变下依然可保持三维电子传导网络和离子传输通道。更重要的是,体积比容量和面积比容量经过压缩后分别提升七倍和三倍。(3)利用凝胶电解质将可压缩电极材料组装入准全固态电池中。储能性能测试显示,这种可压缩的准全固态电池可以在60%的压缩形变下保持容量、倍率等性能的稳定,并且经过100次重复压缩后,其质量比容量损失小于5%。本课题的研究不仅揭示了基于高弹性三维石墨烯电极复合材料在压缩/回复形变下的储能性能,而且还为新一代耐压缩LIB的发展提供了新的研究思路。