二硫化钴与石墨烯复合负极材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2017-10-22 00:06

  本文关键词：二硫化钴与石墨烯复合负极材料的制备及电化学性能研究

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【摘要】：锂电池因具有高能量密度、长循环寿命、环境友好等优点,已获得广泛的应用。但是,随着电子器件向小型化、轻量化方向发展,对锂离子电池的正、负极材料的比容量、循环寿命、倍率特性等要求越来越高。因此,新型、高性能的锂离子正、负极材料的开发或对现有正、负极材料的改性成为当前储能领域研究的国际前沿。本论文以新型负极材料CoS_2的合成与改性为研究对象,首先研究了负极材料CoS_2的合成工艺,然后研究了石墨烯对CoS_2的包覆改性,进一步研究了三维多孔结构二硫化钴/石墨烯的制备及电化学性能,最后制备了自支撑的二硫化钴/石墨烯复合负极并研究了其电化学性能。主要研究内容与结果如下:1.研究了二硫化钴/石墨烯(CoS_2/G,CG)、二硫化钴/碳纳米管/石墨烯(CoS_2/CNTs/G,CCG)粉末负极材料的制备及电化学性能。研究结果表明:通过水热法可以制备石墨烯均匀包覆的CG复合负极材料,与未包覆石墨烯的CoS_2粉末负极相比,包覆石墨烯后的CG粉末负极材料的电化学性能得到显著的提升:在100 mA g~(-1)下循环50次后,放电比容量为237 mAh g~(-1)(远高于无石墨烯包覆的CoS_2粉末的88.9 mAh g~(-1)),在2000 mA g~(-1)下,放电比容量为98 mAh g~(-1),这主要是由于石墨烯有效提高了其电导率并抑制了充放电过程中的体积变化;引入碳纳米管后得到的CoS_2/CNTs/G(CCG)粉末负极材料的性能得到进一步提升:在100 mA g~(-1)下循环50次后的放电比容量为364 mAh g~(-1),在2000 mA g~(-1)下,放电比容量为212mAh g~(-1),这主要是由于引入碳纳米管后进一步增强了导电性并防止了石墨烯的再次堆积,同时进一步抑制了CoS_2的体积变化,从而进一步提升其电化学性能。2.研究了三维二硫化钴/石墨烯(3DCG)负极材料、三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯(3DCCG)负极材料的制备及电化学性能。研究表明,3DCG具有优异的电化学性能:在100 mA g~(-1)电流充放电下,循环50次后的比容量为822 mAh g~(-1),在2000 mA g~(-1)下比容量为428 mAh g~(-1);进一步引入CNT后的三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯(3DCCG),100 mA g~(-1)电流充放电下,50次循环放电比容量保持为859 mAh g~(-1)。与CG、CCG粉末负极相比,3DCG与3DCCG负极材料性能有较大提升。这主要是因为三维石墨烯结构可以增大比表面积、提供良好的导电性、抑制CoS_2体积变化、保持结构完整,同时增加电极浸润性并缩短锂离子扩散距离。这表明基于石墨烯的三维多孔导电结构,能有效提高电化学性能。3.研制了具有极高整体电极比容量的二硫化钴/石墨烯泡沫(C/3DGF)自支撑负极。研究表明:以CVD制备的三维泡沫石墨烯(3DGF)为导电模板,采用水热法可直接在3DGF上原位生长CoS_2纳米颗粒,从而制备出C/3DGF自支撑负极;该自支撑负极最大的优点是可省去集流极(铜箔)、导电剂和粘结剂,从而可大幅度减小电池总质量;该C/3DGF的整体电极比容量为93 mAh g~(-1),远远高于本文其它负极材料的整体电极比容量。C/3DGF自支撑电极为减轻电池总体质量、简化电池制作工艺提供了新的思路。
【关键词】：锂电池 石墨烯 三维 比容量
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.1.1 锂电池的基本原理11
• 1.1.2 锂电池负极材料概述11-12
• 1.2 负极材料的研究发展12-23
• 1.2.1 负极材料通过改进微观结构来提高性能的进展13-16
• 1.2.2 负极材料通过与其它物质复合来提高性能的进展16-23
• 第二章 实验方法23-28
• 2.1 实验药品及仪器23-24
• 2.2 材料的表征方法24-25
• 2.2.1 X射线衍射分析24
• 2.2.2 X射线光电子能谱24
• 2.2.3 扫描电子显微镜24
• 2.2.4 热重分析24-25
• 2.2.5 拉曼光谱25
• 2.2.6 透射电子显微镜25
• 2.2.7 导电性分析25
• 2.3 锂电池的电化学性能表征方法25-26
• 2.3.1 恒流充放电测试25-26
• 2.3.2 循环伏安曲线和电化学阻抗谱测试26
• 2.4 锂电池的封装26
• 2.5 氧化石墨的制备26-28
• 第三章 二硫化钴/石墨烯粉末负极材料的制备及电化学性能28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 二硫化钴粉末负极材料的制备及电化学性能研究28-32
• 3.2.1 二硫化钴粉末负极材料的制备28
• 3.2.2 二硫化钴粉末负极材料的结构及形貌28-29
• 3.2.3 二硫化钴粉末负极材料的电化学性能29-32
• 3.3 二硫化钴/石墨烯粉末负极材料的制备及电化学性能32-36
• 3.3.1 二硫化钴/石墨烯粉末负极材料的制备32
• 3.3.2 二硫化钴/石墨烯粉末负极材料的结构和形貌32-36
• 3.4 二硫化钴/碳纳米管/石墨烯粉末负极材料的制备及电化学性能36-41
• 3.4.1 二硫化钴/碳纳米管/石墨烯粉末负极材料的制备36-37
• 3.4.2 二硫化钴/碳纳米管/石墨烯粉末负极材料的结构和形貌37-38
• 3.4.3 二硫化钴/碳纳米管/石墨烯粉末负极材料的电化学性能38-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 三维二硫化钴/石墨烯负极材料的制备及电化学性能42-59
• 4.1 引言42
• 4.2 三维二硫化钴/石墨烯负极材料的制备及电化学性能42-51
• 4.2.1 三维二硫化钴/石墨烯负极材料的制备42-43
• 4.2.2 三维二硫化钴/石墨烯负极材料的结构及形貌43-46
• 4.2.3 三维二硫化钴/石墨烯负极材料的电化学性能研究46-50
• 4.2.4 不同石墨烯含量对三维二硫化钴/石墨烯负极材料的性能的影响50-51
• 4.3 三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯负极材料的制备及电化学性能51-57
• 4.3.1 三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯负极材料的制备52
• 4.3.2 三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯负极材料的结构和形貌52-53
• 4.3.3 三维二硫化钴/碳纳米管/石墨烯负极材料的电化学性能研究53-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 二硫化钴/石墨烯泡沫自支撑负极的制备及电化学性能59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 二硫化钴/石墨烯泡沫自支撑负极的制备59-61
• 5.3 二硫化钴/石墨烯泡沫自支撑负极的结构及形貌61-62
• 5.4 二硫化钴/石墨烯泡沫自支撑负极的电化学性能研究62-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-75
• 攻硕期间取得的研究成果75-76

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