● 摘要
锂离子电池因其有能量密度高、使用寿命长和对环境无污染的优点，被广泛的应用在动力电动汽车、电动车和电力储能等方面，然而，目前被商业化应用的石墨电极已经达到了其理论容量的极372mAh g-1，不能满足逐渐增长的能源需求。因此人们在寻找一种新的电极材料代替石墨。Co3O4因其理论容量值比较高，为890 mAh g-1，受到了人们的关注，被认为是最有可能替代石墨电极的材料之一。但是它价钱贵且有毒，所以人们希望用其他便宜的二价元素，比如Cu、Fe、Mn、Mg等来代替部分钴，从而形成三元复合氧化物。但是目前对CuxCo3-xO4体系的研究很少，且用于锂电负极材料的都是粉末状的，需要在里面添加粘结剂和导电剂，这样就会减低材料的能量密度和倍率性能。另外，纳米材料虽然有很大的比表面积，有利于电解质的渗透和离子的扩散，但是它容易团聚，而且增加了与电解质二次反应的可能性，使得不可逆容量增高，且循环性能变差。为此，本文设计了微纳结构的CuxCo3-xO4体系，缓解锂离子在充放电过程中产生的体积膨胀，从而提高电池的循环性能和倍率性能。
本文首先通过电镀法和水热法，分别得到了纳米片状和纳米线状的Co3O4单一氧化物，通过测试其电化学性能，分析了形貌对电化学性能的影响，两种形貌的材料在20C时其容量值都在300-400mAh g-1的范围内，但是纳米线的容量值比纳米片稍微高一些。
然后用水热法在钛片上直接生长微纳结构的介孔CuxCo3-xO4纳米片，探索最佳水热条件和煅烧温度，选取500℃和600℃作为研究对象，对其形貌、结构和电化学性能进行表征，分析不同煅烧温度对性能的影响，得到600℃时对应的电化学性能比较好。在300 mA g-1的电流密度下初始放电容量可达1300 mAh g-1，首次库伦效率76.8%。循环50圈之后容量基本不衰减。50C时，其充电容量值仍可保持在335 mAh g-1，更重要的是当改变电流密度为0.1C时，充电容量能恢复到1045mAh g-1，相比于Co3O4单一氧化物的循环性能和倍率性能有很大的提高。