摘 要

本文利用水热法在碳布表面生长氧氟化铌晶体，再经过高温氧化和退火处理得到表面长有氧化铌纳米薄膜的柔性电极。通过控制水热反应时长、退火温度和表面包覆碳源，本文制备了一系列基于Nb₂O₅纳米晶体的柔性电极。此外，还使用场发射扫描电子显微镜和X射线衍射分别对Nb₂O₅材料的形貌和结构进行了表征。并以Nb₂O₅柔性电极为负极制备半电池，测试了氧化铌薄膜的首圈充放电曲线和高倍率倍率性能。结果表明，水热反应时间和退火温度对氧化铌晶体的生长形貌和载量有一定影响，从而影响氧化铌薄膜的电化学性能。电化学性能测试显示，经过12h反应及700℃退火处理后的Nb₂O₅薄膜材料在倍率为20C时的充电比容量为可达到91.7 mAhg^-1，相对于倍率为1C的容量保持率高达50%。

关键词：碳布；Nb₂O₅；水热法；柔性电极；锂离子电池

Abstract

Nb₂O₇F was directly grown on the surface of carbon cloth by hydrothermal method, and then Nb₂O₅ film were prepared by oxidation and post- annealing at high temperatures. A series of Nb₂O₅ films were prepared by controlling the hydrothermal reaction time, annealing temperature and carbon source of carbon coating. The morphology and structure of the composites were characterized by field emission scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) respectively, and the tests for the initial two charging/discharging cycles and the high-rate capability were carried out on the half cells.The results show that the time of the hydrothermal reaction and the annealing temperature have some influence on the growth morphology and loading weight of the niobium oxide crystals, which affects the electrochemical performance of the film. The charging specific capacity of the Nb₂O₅ film, which is obtained after the 12h reaction and 700 ℃ annealing, was 91.7 mAhg^-1at a current density of 20C and 50% of its capacity at a current density of 1C is retained.

Key Words：carbon cloth；Nb₂O₅；hydrothermal method；flexible electrode；lithium ion battery

目 录

第1章绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锂简介 2

1.1.1 锂离子电池工作原理 2

1.1.2正极材料 2

1.1.3电解质 3

1.2.4 隔膜 3

1.2.5 负极材料 4

1.2.6 锂离子电池的特点 4

1.3 柔性锂离子电池 6

1.3.1 柔性锂离子电池的应用 6

1.3.2 柔性锂离子电池的研究现状 7

1.4 本论文的选题、研究目标及研究内容 8

1.4.1 本论文的选题 8

1.4.2 本论文的研究目标及研究内容 9

第2章实验测试原理及表征方法 10

2.1 引言 10

2.2 电极材料的表征 10

2.2.1 扫描电子显微镜（SEM） 10

2.2.2 X射线衍射仪（XRD） 10

2.3 半电池的组装 10

2.4 电极材料的电化学性能测试 10

2.4.1 电池比容量及首圈充放电效率测试 10

2.4.2 倍率性能测试 11

第3章t-NO-n的制备及其测试半电池性能研究 12

3.1 引言 12

3.2 实验部分 13

3.2.1 实验试剂 13

3.2.2 实验仪器 13

3.2.3 t-NO- n的制备 13

3.2.4 测试半电池的制备 14

3.3 实验结果与讨论 14

3.3.1 材料表征分析 14

3.3.2 电化学性能分析 15

3.3.2.1 首圈充放电效率 15

3.3.2.2 倍率性能 17

3.4 小结 18

第4章总结 20

参考文献 21

致谢 24

第1章 绪论

1.1引言

随着社会科技的进步与发展，人类对能源的需求也愈加庞大，而如今占主流的化石能源却是有限的，人类面临着能源枯竭及环境污染的问题。2012年国际能源机构（IEA）预测到2035年化石燃料占据全球能源消耗的份额将只增不减达到82%^[1]。在这种形势下，寻求绿色能源已成当务之急。绿色能源如太阳能和风能等具有分布广泛及间歇式供应的特点，故需要相应的储能装置与之配合^[3]。化学电源作为一种在能量转换过程中绿色无污染的高效储能装置，在能源与环境保护领域具有重要地位。

如今，化学电源在日常生活生产中的应用越来越广泛，例如移动终端产品、电动汽车、航天飞机、电网调峰等。随着化学电源的应用场景逐渐丰富多变，人们对其能量密度、功率、安全性和耐候性等诸多方面也提出了更高的要求。这也促进了化学电源的进一步发展，成为当今科学界的前沿发展之一。

化学电源可分为原电池（或一次电池）、蓄电池（或二次电池）、贮备电池和燃料电池^[4]。其中蓄电池也称为可再充电电池。在充电过程中，电能转换为化学能储存在电池中，放电时再转换为电能从而达到反复使用的目的。储蓄电池一般分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池^[5]。锂离子电池具有循环寿命长和能量密度高的特点，因此在消费级产品电池市场占有最大市场份额。近年来发展火热的电动汽车更是极大促进了锂离子电池的研究进展。除电动汽车领域外，锂离子电池在移动终端设备（如笔记本电脑、智能手机和智能手表）也有广泛的应用。随着大型动力设备续航的需求和移动终端设备的逐渐小型化，如今的锂离子电池技术已无法满足其需求。研发出具有更高能量密度、倍率性能更好的锂离子电池尤其是电池电极材料已成为当前化学电源领域的研究重点。

1.2锂离子电池简介

1.2.1锂离子电池工作原理

锂离子电池是一种由锂离子在正负极间往复脱嵌并发生氧化还原反应的二次电池，单体锂离子电池一般分为正极、电解质、隔膜、负极、集流体和封装等几部分^[6]。