金属氧化物纳米纤维电极和方法技术

示出一种包括具有金属氧化物涂层的金属纤维的基于纳米纤维的微结构材料以及方法。在一个实例中，基于纳米纤维的微结构材料被用作诸如锂离子电池等电池的电极，其中微结构材料的所述纳米纤维形成具有独立式芯‑壳结构的纳米纤维布。

Metal oxide nanofiber electrodes and methods

A microstructure material based on nanofibers including metal fibers with metal oxide coatings and a method thereof are shown. In one example, nanofiber-based microstructural materials are used as electrodes for batteries such as lithium-ion batteries, where the nanofibers of the microstructural materials form nanofiber cloths with independent core-shell structures.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属氧化物纳米纤维电极和方法优先权声明本申请要求美国临时专利申请号62/255,827的优先权权益，所述美国临时专利申请通过引用以其全文结合在此。
本专利技术涉及基于金属氧化物的材料微结构和方法。在一个实例中，本专利技术涉及锂离子电池的基于金属氧化物纳米纤维的阳极。
技术介绍
期望经改进的电池如锂离子电池。可以改进的电池结构的一个实例是阳极结构。附图说明图1示出根据本专利技术的实例的制作方法的一部分。图2示出根据本专利技术的实例的纤维的显微照片。图3示出根据本专利技术的实例的纤维的TEM图像。图4示出根据本专利技术的实例的纤维的X射线数据。图5示出根据本专利技术的实例的材料的电数据。图6示出根据的本专利技术的实例的材料的额外电数据。图7示出根据本专利技术的实例的纤维的显微照片。图8示出根据的本专利技术的实例的材料的额外电数据。图9示出根据本专利技术的实例形成的装置的实例电路。图10示出根据本专利技术的实例的电池。图11示出根据本专利技术的实例的形成材料的方法。具体实施方式在如下详细描述中，参考附图，附图形成详细说明的一部分，并且在附图中，通过说明的方式示出了可以实践本专利技术的具体实施例。在附图中，贯穿若干个视图，相似的附图标记描述基本上类似的部件。足够详细地描述这些实施例以使本领域技术人员能够实践本专利技术。在不脱离本专利技术范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以做出结构或逻辑上的改变等。以下公开内容示出了低成本、独立式、大容量、稳定且环境友好的金属氧化物纤维布。在一个实例中，金属氧化物是氧化镍。在一个实例中，镍-氧化镍(Ni-NiO)纳米纤维布用于形成锂离子电池的阳极。Ni-NiO纳米纤维是通过生成独立式芯-壳纳米纤维结构的静电纺丝和热氧化工艺制造的。由于在锂化/去锂化期间重复的体积变化，镍基体缓解了在锂离子阳极观察到的导电性差的问题。与浆料铸造电极的表面积相比，Ni-NiO纳米纤维阳极拥有高表面积，这有助于促进锂离子扩散到活性材料中。电化学阻抗谱指示集流金属(在这一情况下为镍)经受独立式结构的体积变化的经改进的能力。此外，扫描电子显微镜指示，在超过400个充电/放电循环内Ni-NiO纳米纤维布阳极的稳定性，所述稳定性部分地通过固体电解质中间相的稳定演变来证明。作为阳极，Ni-NiO纳米纤维布示出了令人难忘的结果：在2154mAg-1或3C(1C＝718mAg-1)的电流密度下1054mAhg-1的重量容量、超过1500个循环的长循环寿命、以及在其整个循环寿命期间具有＞99％的库伦效率的优异稳定性。性能评价使Ni-NiO布材料能够用于下一代大容量、高速率、稳定且环境友好的锂离子电池。稳定的高速率、大容量且环境安全的锂离子电池(LIB)电极处于能量存储研究兴趣的中心。LIB目前在市场上以便携式电子设备超越了其它具有竞争力的电池技术并且正在成为用于向下一代电动车辆供电的技术选择。研究试图通过调查拥有各种纳米结构的新型材料来满足对低成本、安全且高性能的LIB的市场需求。LIB电极常常由导电剂、粘结剂、集流器和活性材料组成。一种增大LIB电池的整体重量容量的方法是消除在系统中使用导电剂和粘结剂。可以通过利用具有嵌入式集流器的独立式电极来代替粘结剂和导电剂。独立式电极将集流器合并到电极架构中。这减少了对粘结剂和导电剂的使用需要。然而，所使用的活性材料中的许多既不具有足够的导电性又不能够将自身粘附到集流器上。已经示出了基于碳织物或碳基纸、碳基纳米支架以及静电纺丝纤维的一些独立式电极。这些独立式电极展现出大容量、快速循环速率和长循环寿命，但是具有很长的热氧化稳定、碳化和机械脆性。代替石墨用作阳极-具有372mAhg-1的理论容量-的候选物包括硅、锡基材料、各种过渡金属氧化物和锂金属。这些材料展现出比石墨更大的容量，但具有从体积膨胀跨到差库伦效率的潜在缺点。硅、锡基材料和过渡金属氧化物具有锂化/去锂化期间的体积变化或具有差导电性。循环期间的体积变化导致电极的形态在其循环寿命过程中发生降解。因此，活性材料与导电网络失去接触，并且固体电解质界面(SEI)层降解。SEI层的降解导致持续较厚地重新形成消耗电解质和锂的SEI层。与导电网络失去接触以及SEI层降解导致容量和库伦效率降低。基于其大容量、高导电性以及其无需扩散/插层，锂金属是理想的阳极材料。锂金属作为阳极所面临的挑战包括锂化/去锂化期间锂枝状晶体的重复形成、低库伦效率和安全问题。金属氧化物在缓和下一代锂离子电池所面临的问题中的许多问题方面显示出了前景，但在没有正确的电极设计的情况下并非如此。氧化镍(II)(NiO)正新兴成为用于大容量、长循环寿命、低成本且环境友好的锂离子电池的有前景的阳极材料。这个材料系统展现出718mAhg-1的高理论容量以及易于转化成各种3D结构以用于创新型电极的能力。然而，NiO的电化学性能受限于锂化/去锂化期间大的体积变化以及差导电性。为对抗这一问题，已经采用了各种纳米结构来改进电化学性能，比如纳米纤维、芯-壳纳米线和涂覆在氧化镍中的碳结构。这些结构中的许多展现出了高达数千个循环的长循环寿命、高达10C的优异循环速率或高达800mAhg-1的大容量。尽管这些结构各具优势，但没有一个结构将出色的循环寿命、高充电电流密度以及优异的容量与独立式电极组合起来。这里，我们呈现了通过静电纺丝合成并且通过解决上述问题的简单热处理加工的新型独立式Ni-NiO纳米纤维布阳极。独立式Ni-NiO纳米纤维布阳极展现出超过1500个循环的长循环寿命、在相对快的循环速率3C(1C＝718mAg-1)下1054mAhg-1的大容量、以及＞99％的库伦效率。不过，最令人难忘的是，Ni-NiO纳米纤维布阳极在超过1500个循环内在3C下维持了1108mAhg-1的大容量，其中形态在循环后发生最小变化。就我们的知识所及，之前并未报道过将静电纺丝纳米结构金属嵌入活性材料中用作具有这种出色性能的集流器的独立式Ni-NiO纳米纤维布阳极。关于Ni-NiO纤维的制备，将132mgmL-1的Ni(OCOCH3)24H2O和66mgmL-1的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，1300000gmol-1)混合在乙醇中在70℃下30分钟。待溶液完全混合后，将溶液转移到5mL的注射器中并使用InovensoNe300纳米纺丝机(Nanospinner)来进行静电纺丝。溶液的进给速率为0.6mlhr-1并且纺丝电位为6kV，而针收集器距离为11cm。纤维被纺丝之后，将所述纤维在氧化铝管中、在400℃下、在空气中、以0.66℃min-1的加热速率煅烧6小时、在200℃下热氧化稳定2小时以获得纯氧化镍纤维。热氧化总共花费16h完成。然后，通过在Ar/H2(体积比为1∶2)的恒流下、以13℃min-1的加热速率、在20托和400℃下氢还原90分钟来将氧化镍纤维还原成镍纤维。以20℃min-1的冷却速率来冷却镍纤维。最后，以20℃min-1的冷却速率将镍纤维在350℃下、在空气中再次煅烧30分钟以得到Ni芯、NiO壳纤维。通过扫描电子显微镜(PhilipsXL-30)和透射电子显微镜(FEITecanai12)来观察所编织纤维的形态。所合成纤维的主要组成被表征为使用Cu-K辐射和EDS(电子衍射光谱)的X射线粉末衍射(PANanalyticalEmp本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池，包括：第一电极，其包括：纤维布，其中所述纤维包括金属芯和金属氧化物表面；第二电极；以及电解质，其与所述第一电极和所述第二电极相接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.16 US 62/255,8271.一种电池，包括：第一电极，其包括：纤维布，其中所述纤维包括金属芯和金属氧化物表面；第二电极；以及电解质，其与所述第一电极和所述第二电极相接触。2.根据权利要求1所述的电池，其中所述纤维包括镍金属芯和氧化镍表面。3.根据权利要求1所述的电池，其中所述纤维具有小于大约1微米的直径。4.根据权利要求1所述的电池，其中所述金属氧化物表面具有大...

【专利技术属性】
技术研发人员：琴吉奇·S·厄兹坎，米里马·厄兹坎，杰弗里·贝尔，雷切尔·叶，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US