高品质石墨烯制备及其杂化材料在锂离子电池中的应用研究

发布时间：2018-02-28 02:15

本文关键词： 高品质石墨烯石墨层间化合物液相剥离法石墨烯杂化材料锂离子电池电极材料　出处：《北京化工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：石墨烯具有优异的电子传输性能、力学性能、传导性能和吸附性能等。近年来,人们发现其在储能领域,尤其是在锂离子电池上有较好的应用前景。相较于传统的石墨电极材料,石墨烯的高比表面积和共轭结构有利于储存更多锂离子,获得更大的储锂容量。不仅如此,将石墨烯与其它活性材料(如过渡金属氧化物、硅基材料等)杂化,可以发挥两者的协同作用,既能够拥有稳定的循环性能,又获得较高的可逆比容量。虽然石墨烯的制备方法层出不穷,但大多难以兼顾高质量产品与低制造成本,这也制约了石墨烯的应用推广。本文研究内容主要有两方面:首先,研究高品质石墨烯的制备方法,利用液相剥离法得到结构规整的低缺陷石墨烯;其次,研究石墨烯杂化材料的合成,发展出有别于传统水热法、模板法、化学气相沉积法的新杂化方法,所得产物具有良好的电化学性能,主要工作如下:(1)FeCl3-石墨烯杂化材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究。以非氧化法制备的l阶FeCl3基石墨层间化合物(FeCl3-GICs)为前驱体,将其在有机溶剂中超声剥离来制备石墨烯和FeCl3-石墨烯(FeCl3-FLG)杂化材料。在石墨层间引入FeCl3,导致片层间距明显增大,克服范德华力对片层的束缚,不仅利于石墨烯的剥离,而且在很大程度上减少晶格缺陷的产生。相同条件下,以天然鳞片石墨为前驱体剥离制备的石墨烯中只有32 %的片层厚度小于2 nm,而由1阶FeCl3-GICs剥离制备的石墨烯,厚度几乎均分布在1.0-2.0nm之间。同时,通过控制剥离时间,便可制备出FeCl3-FLG杂化材料。当用作锂离子电池负极材料时,FeCl3-FLG杂化材料展现出较高的可逆容量,在10OmAg-1的电流密度下,比容量能够达到1002 mAhg-1。在杂化材料体系中,少层石墨烯结构可以抑制锂离子嵌入和脱嵌过程中的引起的FeCl3体积膨胀,而且其较大的层间距,便于锂离子扩散。(2)高压均质法制备高品质石墨烯研究。为提高石墨烯制备效率,我们以1阶FeCl3-GICs为前驱体,采用具有规模化制备潜力的高压均质法剥离石墨烯,研究不同均质压力、均质时间和初始分散液浓度对石墨烯剥离效果的影响。高压均质法具有效率高、可连续、易规模化应用等优点,其在批量制备高品质石墨烯上具有较大潜力。研究表明在120 MPa下循环50次后可以制得单层石墨烯,其平均厚度约为0.72 nm,且所制备的石墨烯片具有较高的结构规整性和较低的结构缺陷(ID/IG0.1),电导率能够达到 3.7×104S m-1。(3)三明治结构α-Fe203/石墨烯杂化材料的制备及其在锂离子电池中的应用研究。采用高压均质法,我们发展出一种快速简易制备石墨烯杂化材料的方法。以1阶FeCl3-GICs为前驱体,通过控制高压均质时间可以制得FeCl3-FLG,将其在500 ℃下进行热处理,便得到α-Fe203/石墨烯杂化材料(Fe203/FLG)。该方法所制备的Fe203/FLG具有独特的三明治结构,α-Fe203颗粒能够较均匀地负载于少层石墨烯的表面和层间,可以有效避免团聚,抑制α-Fe203在充放电过程中的体积膨胀和颗粒粉碎现象,另外高品质石墨烯的高电导率可以提供高效的导电网络,改善α-Fe203颗粒的传导性能,缩短锂离子的扩散通道。值得注意的是,石墨烯和α-Fe203颗粒紧密接触,不仅更利于电荷传输,还能保持较好的循环稳定性。该杂化材料用作锂离子电池负极材料时,在200 mAg-1的电流密度下循环350圈后,可逆容量能够达到约110OmAhg-1。(4) CoCl2-FeCl3基三元石墨层间化合物及其衍生物在锂离子电池中的应用研究。我们以CoCl2和FeCl3基三元石墨层间化合物用作锂离子电池负极材料,发现其具有良好的循环性能,在200 mA g-1的电流密度下经过400次充放电循环,可逆容量依然能够保持在1000 mA h g-1左右。然后,根据(3)中的实验方法,制备Co304-Fe203/石墨烯三元杂化材料,通过对反应条件的探索得到性能最优的产物,将其用作锂离子电池负极材料时,在1000 mA g-1的电流密度下经过300次充放电后,可逆容量能达到～700 mAh g-1。
[Abstract]:In recent years , the high specific surface area and the conjugated structure of graphene have been found to be better than those of traditional hydrothermal method , template method and chemical vapor deposition method . In order to improve the preparation efficiency of graphene , the high - pressure homogenization method was used to prepare the graphene hybrid material . The high - pressure homogenization method has the advantages of high structure regularity and low structure defect ( ID / IG0.1 ) . The high - quality graphene has high structure regularity and low structure defect ( ID / IG0.1 ) . ( 4 ) The application of the ternary graphite intercalation compounds and their derivatives in Li - ion batteries was studied . We found that the ternary hybrid materials of CoCl2 and FeCl3 were used as negative electrode materials for Li - ion batteries . The reversible capacity of CoCl2 - Fe203 / graphene ternary hybrid materials was still maintained at about 1000 mA / g - 1 .

【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ127.11;TM912

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