納米Co3O4/石墨烯復合材料的制備及其電化學性能研究

朱 琪，呂惠萍

（菏澤學院化學化工學院，山東 菏澤 274015）

1 鈉離子電池現(xiàn)狀

目前人們廣泛使用的儲能電池為鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度高、使用壽命長、環(huán)保的優(yōu)點[1]，但是，鋰資源在全球的儲量極為有限，而需要用到鋰離子電池的產(chǎn)品卻日益增多，為此，人們將目光轉(zhuǎn)向了鈉離子電池。與鋰資源相比，鈉資源的儲量十分豐富，且兩者之間的化學性質(zhì)極為相同。鈉離子因尺寸相對較大且成本低而深受人們的青睞，但是與鋰離子相比，鈉離子相對更大且更重，因此，進行電極材料的選擇是當前的重要任務。目前，對鈉離子正極材料的研究較為順利，但對其負極材料的研究尚在發(fā)展之中。

硬碳具有容量適中的特點，在整個負極材料的研究中被廣泛使用。但是硬碳的相關循環(huán)性能以及初始電流的效率無法達到要求，因此，在進行儲能的研究中，使用過渡金屬氧化物的情況較為普遍[2]，但在鈉離子的儲存研究中并不多見。作為離子電池負極材料之一的Co3O4，具有相對較高的理論比容量，研究人員正對其相關結(jié)構(gòu)及性能的優(yōu)化開展系統(tǒng)而廣泛的研究，但對Co3O4存儲鈉的相關電化學行為，卻鮮少有人進行研究。

本文對Co3O4存儲鈉的相關文獻進行系統(tǒng)收集和分析，以期對鈉離子電池的性能進行深入了解。鈉離子電池的相關性能和能量密度，會受到材料導電性能的影響。本文對電極活性物質(zhì)的性能進行研究，采取科學合理的手段進行分析，以期能有效提高鈉離子電池的電化學性能[3]。

2 實驗部分

2.1 實驗過程

宏孔導電網(wǎng)絡的制備要采用多種工藝如半導體工藝、光輔助電化學刻蝕技術等。采用水熱法對納米Co3O4/石墨烯復合材料進行制備，具體的實驗步驟如下。

將整個宏孔導電網(wǎng)絡作為基底，制備出0.03mol·L-1的Co(Oac)2的溶液20mL，再加入10mL的無水乙醇充分攪拌，得到前驅(qū)體溶液[4]。將得到的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到50mL的鐵氟龍反應釜中，將事先制備好的宏孔導電網(wǎng)絡也放入鐵氟龍反應釜中，將反應釜旋緊，烘箱中180℃下烘烤3h。取出，用冷熱去離子水沖洗5min，再用乙醇溶液清洗5min，之后在450℃的氬氣氣氛中退火[5]。

2.2 電化學測試

在兩電極體系中，將Co3O4/graphne/MECN作為負極，鈉片作為正極進行測試。采用RS2032電池殼進行有效的封裝。對電解液NaPF6溶液進行循環(huán)伏安的測試，其中電壓范圍為0～3V，掃速為0.1～1mV·s-1[6]。

3 實驗結(jié)論與分析

3.1 Co3O4/graphne/MECN電極的SEM分析

圖1是Co3O4/graphne/MECN電極的SEM圖、局部放大圖以及電鍍鎳圖?？梢钥闯?，所制備的復合材料的主要結(jié)構(gòu)為片狀，橫向尺寸為100～200nm，厚度約為10nm。對SEM圖進行深入分析，發(fā)現(xiàn)生長著石墨烯的通道道板被Co3O4復合材料均勻有序地覆蓋，且在孔徑中也實現(xiàn)了良好的生長。對復合電極的結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)其尖端以及比表面積很豐富[7]，這種結(jié)構(gòu)能夠有效提高電子的傳輸和離子的擴散，以及級電容器的相關能量和功率密度，使得其倍率性能也得到了提高。

圖1 Co3O4/graphne/MECN的電極SEM圖

3.2 Co3O4/graphne/MECN電極的XRD分析

圖2為Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖。對Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖進行分析，可以了解碳的衍射峰的位置以及相關信息，從而判斷出覆蓋在宏孔導電網(wǎng)絡表面的材料為無定型碳材料。同時，圖中能夠明顯觀測到鎳的相關特征峰的存在[8]，說明在宏孔導電網(wǎng)絡的表面，鎳成功實現(xiàn)了沉淀。鎳的存在使得微通道板的機械強度和導電性得到了有效的增強。在微通道板的尖角中發(fā)現(xiàn)了化學鍍鎳的覆蓋，說明微通道板覆蓋了結(jié)晶度非常高的鎳[9]。對Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖進行分析可知，具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Co3O4納米片，在整個石墨烯的宏孔導電網(wǎng)絡中實現(xiàn)了較為均勻的覆蓋。

圖2 Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖

3.3 電化學測試分析

要想了解Co3O4/graphne/MECN電極的電化學性能，就要對Co3O4/graphne/MECN電極的表面結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的相關機制進行更為深入的研究。我們將Co3O4/graphne/MECN電極作為負極材料，將鈉箔片作為正極材料，采用RS2032電池殼，進行鈉離子電池的封裝，并對樣品的電化學性能進行系統(tǒng)的研究。

對Co3O4/graphne/MECN電極的循環(huán)伏安特性的實驗結(jié)果進行分析后發(fā)現(xiàn)，在掃速提高的情況下，CV的形狀基本沒有發(fā)生變化，說明反應具有可逆性。同時對Co3O4/graphne/MECN電極的阻抗譜進行分析，發(fā)現(xiàn)電極的等效串聯(lián)電阻在10.7Ω左右，法拉第傳輸抗阻為200Ω，樣品的自腐蝕電位大約在-0.04V。在電化學反應的過程中，電流密度出現(xiàn)了過高的情況，在一定條件下降低了電極的可逆性，使得整個電極在電化學反應的過程中，能夠有更多的活性點位參與反應[10]。

4 結(jié)論

本文采用水熱法制備了Co3O4/graphne/MECN電極，并對電極進行了相關的電化學測試。對一系列相關圖表進行了分析，結(jié)果顯示，Co3O4/graphne的主要復合材料為納米片，Co3O4/graphne的等效串聯(lián)電阻為10.7Ω， Co3O4/graphne/MECN電極的均勻度、導向性和比表面積更高，從而具有更好的鈉離子存儲功能，也使得其電化學性能得到了有效的增強。