三维石墨烯气凝胶基复合材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2020-11-13 09:43

　　 锂离子电池(LIBs)作为一种最有前景的能量储存装置之一,已经在电动汽车领域得到广泛应用。然而,石墨作为目前商用LIBs主要的负极材料依然存在比容量低、循环寿命短和安全性差等不足,不能满足工业电动汽车所提出的高能量密度和大功率密度等需求。而负极材料是LIBs不可缺少的重要部件之一,因此选择和制备高性能LIBs负极材料尤为关键。金属氧化物及金属硫化物由于高的理论比容量、低成本及环境友好等优势而成为最有潜力的可替代负极材料之一,但它们在充放电循环过程中依然存在一个大的体积改变和导电性差等缺陷,这大大限制了它们的商业应用。石墨烯气凝胶(GA)是近年来开发的一种新型3D碳材料,因其完美地将石墨烯优异的物理、化学特性和气凝胶固有的高孔隙率相结合而成为最受欢迎的导电碳基质之一。将其与金属氧化物、金属硫化物复合,能明显地改善整体材料的导电性、比表面积和结构稳定性,进而提高了整体材料的电化学性能。本文制备了几种不同结构的石墨烯气凝胶基复合材料,并对它们的电化学性能进行了评估。具体工作内容如下:(1)采用P123表面活性剂在混合溶剂中形成的层状反胶束为生长模板,首先制备了双相TiO_2,然后通过一个在氧化石墨烯(GO)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性TiO_2之间的静电自组装过程以及紧接着的一锅水热法和冷冻干燥技术制备了双相TiO_2/GA复合物(TGAs)。使用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、热重分析(TGA)及N_2吸附-脱附(BET)等测试手段对最终样品进行表征。结果表明,所制备的TGAs是一个包覆双相(anatase/TiO_2(B))TiO_2的3D多孔网络结构,且双相TiO_2实际上是一个由2D TiO_2纳米片相互堆叠形成的3D聚集体。电化学测试表明TGAs电极比单独双相TiO_2电极表现出了一个更优秀的电化学性能,特别是循环稳定性(在电流密度100mA·g~(-1)下循环100圈,放电比容量仍保持200.8 mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大电流密度下,放电比容量仍达99.8 mA·h·g~(-1))。(2)利用碳球为模板制备了中空CoMn_2O_4纳米球,使用硅烷偶联剂APTES对其进行氨基改性。以改性CoMn_2O_4纳米球和GO为原料,采用一步水热法及随后的冷冻干燥技术制备了中空CoMn_2O_4/GA复合物(ZGAs)。使用XRD、TEM、SEM及BET等测试手段对最终样品进行表征。结果表明所制备的ZGAs样品为一个包覆中空CoMn_2O_4纳米球的3D多孔网络结构,且中空CoMn_2O_4球的平均粒径约为200 nm。电化学测试表明ZGAs电极比中空CoMn_2O_4球电极表现出一个更优秀的电化学性能,特别是循环稳定性(在电流密度100 mA·g~(-1)下循环50圈,放电比容量仍保持966.8mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大电流密度下,放电比容量仍达754.7mA·h·g~(-1))。(3)采用两步水热法首先制备了NiCo_2S_4纳米管,然后通过一个在GO和PDDA改性NiCo_2S_4纳米管之间的静电自组装过程以及紧接着的水热法和冷冻干燥技术制备了NiCo_2S_4纳米管/GA复合物(NGAs)。使用XRD、SEM、TEM、HRTEM、TGA及BET等测试手段对最终样品进行表征。结果表明所制备的NGAs样品为一个包覆NiCo_2S_4纳米管的3D多孔网络结构,且NiCo_2S_4纳米管的平均粒径约为200 nm。电化学测试表明NGAs电极比NiCo_2S_4纳米管电极表现出一个更优秀的电化学性能,特别是循环稳定性(在电流密度100 mA·g~(-1)下循环50圈,放电比容量仍保持967.5 mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大电流密度下,放电比容量仍达654.7 m A·h·g~(-1))。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TM912
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 锂离子电池概况
        1.1.1 锂离子电池的发展历程
        1.1.2 锂离子电池的组成及原理
        1.1.3 锂离子电池的特点及应用
    1.2 锂离子电池负极材料概述
        1.2.1 锂离子电池负极材料应满足的要求
        1.2.2 锂离子电池负极材料的种类及发展历程
    1.3 石墨烯气凝胶概述
        1.3.1 石墨烯气凝胶研究进展
        1.3.2 石墨烯气凝胶的制备方法
        1.3.3 石墨烯气凝胶基复合物在锂离子电池中的研究
    1.4 本课题的研究内容
2/GA复合物的制备及性能研究'>2 双相TiO₂/GA复合物的制备及性能研究
    2.1 实验部分
        2.1.1 原料和仪器
        2.1.2 样品的合成
        2.1.3 样品的表征
        2.1.4 电化学性能测试
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 XRD分析
        2.2.2 电镜分析
        2.2.3 TGAs样品的形成机理分析
        2.2.4 TGA分析
        2.2.5 比表面积及孔径分析
        2.2.6 样品的电化学性能分析
    2.3 本章小结
2O₄/GA复合物的制备及性能测试'>3 中空CoMn₂O₄/GA复合物的制备及性能测试
    3.1 实验部分
        3.1.1 原料和仪器
        3.1.2 样品的合成
        3.1.3 样品的表征
        3.1.4 电化学性能测试
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 XRD分析
        3.2.2 电镜分析
        3.2.3 ZGAs复合物样品的形成过程分析
        3.2.4 比表面积及孔径分析
        3.2.5 样品的电化学性能分析
    3.3 本章小结
2S₄纳米管/GA复合物的制备及性能研究'>4 NiCo₂S₄纳米管/GA复合物的制备及性能研究
    4.1 实验部分
        4.1.1 实验所需药品和仪器
        4.1.2 样品的合成
        4.1.3 样品的表征
        4.1.4 电化学性能测试
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 XRD分析
        4.2.2 电镜分析
        4.2.3 NGAs样品的形成过程分析
        4.2.4 TGA分析
        4.2.5 比表面积及孔径分析
        4.2.6 样品的电化学性能分析
    4.3 本章小结
5 结论与展望
参考文献
攻读硕士研究生期间取得的研究成果
致谢

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本文编号：2882052