朱 琪，呂惠萍

（菏澤學(xué)院化學(xué)化工學(xué)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(chǔ)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(zhǎng)、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[1]，但是，鋰資源在全球的儲(chǔ)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(chǔ)量十分豐富，且兩者之間的化學(xué)性質(zhì)極為相同。鈉離子因尺寸相對(duì)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(duì)更大且更重，因此，進(jìn)行電極材料的選擇是當(dāng)前的重要任務(wù)。目前，對(duì)鈉離子正極材料的研究較為順利，但對(duì)其負(fù)極材料的研究尚在發(fā)展之中。

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

本文對(duì)Co3O4存儲(chǔ)鈉的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)收集和分析，以期對(duì)鈉離子電池的性能進(jìn)行深入了解。鈉離子電池的相關(guān)性能和能量密度，會(huì)受到材料導(dǎo)電性能的影響。本文對(duì)電極活性物質(zhì)的性能進(jìn)行研究，采取科學(xué)合理的手段進(jìn)行分析，以期能有效提高鈉離子電池的電化學(xué)性能[3]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的制備要采用多種工藝如半導(dǎo)體工藝、光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù)等。采用水熱法對(duì)納米Co3O4/石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行制備，具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下。

將整個(gè)宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)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(wú)水乙醇充分?jǐn)嚢?，得到前?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(yīng)釜中，將事先制備好的宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也放入鐵氟龍反應(yīng)釜中，將反應(yīng)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(xué)測(cè)試

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

3 實(shí)驗(yàn)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(fù)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(duì)SEM圖進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)著石墨烯的通道道板被Co3O4復(fù)合材料均勻有序地覆蓋，且在孔徑中也實(shí)現(xiàn)了良好的生長(zhǎng)。對(duì)復(fù)合電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(kuò)散，以及級(jí)電容器的相關(guān)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(duì)Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖進(jìn)行分析，可以了解碳的衍射峰的位置以及相關(guān)信息，從而判斷出覆蓋在宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)表面的材料為無(wú)定型碳材料。同時(shí)，圖中能夠明顯觀測(cè)到鎳的相關(guān)特征峰的存在[8]，說(shuō)明在宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的表面，鎳成功實(shí)現(xiàn)了沉淀。鎳的存在使得微通道板的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性得到了有效的增強(qiáng)。在微通道板的尖角中發(fā)現(xiàn)了化學(xué)鍍鎳的覆蓋，說(shuō)明微通道板覆蓋了結(jié)晶度非常高的鎳[9]。對(duì)Co3O4/graphne/MECN電極的XRD衍射圖進(jìn)行分析可知，具有尖晶石結(jié)構(gòu)的Co3O4納米片，在整個(gè)石墨烯的宏孔導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中實(shí)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(xué)測(cè)試分析

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

對(duì)Co3O4/graphne/MECN電極的循環(huán)伏安特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在掃速提高的情況下，CV的形狀基本沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明反應(yīng)具有可逆性。同時(shí)對(duì)Co3O4/graphne/MECN電極的阻抗譜進(jìn)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(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，電流密度出現(xiàn)了過(guò)高的情況，在一定條件下降低了電極的可逆性，使得整個(gè)電極在電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，能夠有更多的活性點(diǎn)位參與反應(yīng)[10]。

4 結(jié)論

本文采用水熱法制備了Co3O4/graphne/MECN電極，并對(duì)電極進(jìn)行了相關(guān)的電化學(xué)測(cè)試。對(duì)一系列相關(guān)圖表進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，Co3O4/graphne的主要復(fù)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(dǎo)向性和比表面積更高，從而具有更好的鈉離子存儲(chǔ)功能，也使得其電化學(xué)性能得到了有效的增強(qiáng)。