长春应化所开发新型无粘接剂CuO纳米棒负极

说起锂电池大家都不陌生，无论是手机还是笔记本电脑，都少不了锂电池的身影，随着电子技术的不断发展，我们对锂电池的要求也越来越高，我们既要锂电池能量密度更高，也要安全性更好，这都对锂电池的研发工作提出了更多的挑战。提高锂电池能量密度的关键是提高正负极活性物质的容量发挥，传统的石墨材料容量发挥多在300mAh/g左右，LCO材料容量发挥在140mAh/g左右，这极大限制了锂电池能量密度的提升。近年来，随着材料技术的发展，高容量发挥的正负极材料也在不断的涌现，例如负极的硅材料，正极的三元和富锂材料等都远远超过了传统的锂电池电极材料，极大的推动了锂电池能量密度的提升。

硅负极材料由于容量发挥高、资源储量丰富等优势，近年来取得了极大的发展，是目前最为成熟的高容量负极材料。硅负极材料重要分为两大类：晶体硅和氧化亚硅材料，硅材料虽然容量高，但是还存在很多问题，例如晶体硅膨胀大，循环性能差，氧化亚硅首次库伦效率低等问题。为此，人们还在不断的开发各种新型的高容量负极材料，例如N掺杂石墨类材料、过渡金属锂化物类材料，以及目前风头正劲的金属锂负极材料等，近日中科院长春应化所的DongmingYin等设计了一种新型的无粘接剂CuO纳米棒电极，该电极是通过直接在Cu箔上生长多孔CuO纳米棒阵列获得，该方法防止了粘接剂和导电剂的使用，使得CuO活性物质和Cu箔之间有更好的接触。该电极比容量可达670mAh/g以上（100mA/g）以上，并却具有良好的倍率性能和循环性能（100mA/g电流密度下，循环150次剩余容量可达671mAh/g）。

CuO材料的理论容量达到670mAh/g，并且具有丰富的资源储量的优势，但是CuO同样也面对着充放电过程中体积膨胀过大的问题，纳米化是解决材料膨胀大的问题的常见办法，为了克服CuO电极膨胀大的问题，DongmingYin利用金属有机物框架（MOFs）的方法直接在铜箔上生长了CuO多孔纳米棒，该电极的具体制备方法如上图所示，首先将铜箔浸入到7，7，8，8-四氰基喹啉甲烷TCNQ，TCNQ和Cu箔反应生成Cu-TCNQ，然后在250℃下进行热处理后，Cu-TCNQ将转化为CuO纳米棒。

在TCNQ中处理不同时间获得的Cu-TCNQ前驱体和在250℃下处理获得CuO的形貌如下图所示，从图上我们可以看到随着处理时间的延长，前驱体纳米棒的数量逐渐新增，经过250℃处理后CuO很好的继承了前驱体的形貌，并且相互之间连接在一起，形成多孔结构。

DongmingYin对上述制备的CuO负极进行了电化学测试，下图为循环伏安测试结果，从图上可以看到在第一个还原过程中在1.75V左右出现了一个弱的电流峰，在1.19V出现了一个强电流峰，在0.85V和0.62V分别出现了两个中等强度的电流峰，此过程中发生的电化学反应如下所示。

容量测试表明该电极的容量发挥达到670mAh/g以上，并具有优良的循环和倍率性能，在100mA/g的电流密度下循环150次，该电极容量发挥可以达到671mAh/g，倍率测试也同样表明该电极具有优异的电化学性能，在100，200，500和1000mAh/g的电流密度下，该电极的容量发挥可以分别达到730，554，434和367mAh/g，即便是在2000mA/g的电流密度下，该材料的容量发挥仍然可以达到300mAh/g。

目前该电极存在的最大的问题为首次效率低，该电极在首次充电时，其充电容量可达到1341mAh/g，远远高于其理论容量670mAh/g，但是首次效率仅为58%，导致这一现象的重要原因有两点：1）反应过程中生成的Li2O不具有反应活性；2）电解液在CuO表面分解，纳米材料较大的比表面积新增了电解液的分解数量，导致该CuO电极的首次效率较低。因此该材料应用还要配合补锂技术使用。

DongmingYin等开发的利用金属有机化合物MOFs方法直接在金属箔上制备纳米棒电极材料的方法，工艺简单适合大规模生产，而且可以推广到其他材料的电极，例如直接在铜箔上生长SiOx纳米棒等，利用纳米材料的优势克服材料在充放电过程中的体积膨胀，因此该方法具有非常好的应用前景。