石墨烯锂电池负极材料的静电植绒制备方法及电化学性能研究

发布时间：2017-05-20 09:24

  本文关键词：石墨烯锂电池负极材料的静电植绒制备方法及电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池具有比容量高、工作电压高、循环寿命长等一系列优点,这些性能使得锂离子电池在电动汽车、移动通讯设备电源等领域中得到了很好的运用。最近几年来,一些电力设备的发展对锂离子电池的功率和能量密度等性能提出了更高的要求。一方面,目前商业化应用的石墨负极材料比容量一般都较低(372 mAh g-1),限制了锂离子电池电化学性能的提高;另一方面,传统锂电池电极片制备周期长、工艺复杂、涂层时电池的厚度不易控制,以上两方面问题一直是锂电行业长期需要解决的问题。针对上述问题,研究出新型的高容量锂离子电池负极材料并采用简便方法进行电池制作生产是非常必要的。石墨烯是石墨的单层或多层分子层状结构,结构不易被破坏,具有良好导电性能、储锂性能、比容量高等优点,是当前科学领域研究的热点。静电植绒法是一种简单有效方法,同时具有效率高、成本低、设备简单等特点,因而将该方法运用到锂电池电极片的制作过程将是一个很好的应用。本文采用自己制备的石墨烯为研究对象,用静电植绒制备电极片为方法,再用冷冻干燥的干燥方法制备了多孔石墨烯,进而提高了锂离子电池的比容量、循环性能和倍率性能。具体研究内容如下:(1)采用改进的Hummers方法,将天然石墨进行氧化化石墨,再经过水洗至中性,干燥后300℃热还原,得到层间距比较大的石墨烯。采用扫描电镜、X射线衍射、原子力显微镜、拉曼光谱、红外光谱等表征手段分析表明,制得的石墨烯充满弯曲、褶皱,层间距变大,并完全解离成了单层或多层无序堆积的石墨烯片。(2)以制备的石墨烯为原料,采用涂层法和静电植绒法分别制作了锂离子电池的电极片,研究这两种方法的工艺流程和电化学性能。研究表明静电植绒法与涂层法相比,缩短了电极片的制作工程,弥补了传统涂层对电极片厚度的不可掌控性,工艺流程简单可控,制得电池的首次充放电提高了158.4 m Ah g-1,30次循环后仍能得到稳定的比容量,静电植绒法制得的锂离子电池可以达到传统涂层制得的锂电池电化学性能的效果。(3)采用冷冻干燥方法对氧化石墨烯溶液进行干燥,再通过热还原得到高质量的多孔石墨烯,最后再研究冷冻干燥对石墨烯微观结构和电化学性能的影响。研究表明制备的石墨烯具有微孔和多孔结构、大的层间距(0.366 nm)、更加优越的循环稳定性(50次循环后容量保持率为80%左右)和高的倍率性能(2000 mA g-1大电流密度条件下,比容量仍然会保持在586.6 mAh g-1)。冷冻干燥创造的石墨烯的稳定多孔结构、大层间距可以有效提高电池的可逆比容量和循环稳定性。
【关键词】：锂离子电池 石墨烯 负极材料 静电植绒 循环性能
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-23
• 1.1 引言10
• 1.2 石墨烯材料10-16
• 1.2.1 石墨烯的结构和性能10-12
• 1.2.2 石墨烯的制备方法12-14
• 1.2.3 石墨烯的应用14-16
• 1.3 锂离子电池的概述16-19
• 1.3.1 锂离子电池的发展历程16-17
• 1.3.2 锂离子电池的优缺点17-18
• 1.3.3 石墨烯锂电负极材料的研究进展18-19
• 1.4 静电植绒在锂电池中的应用19-21
• 1.4.1 静电植绒简介19-20
• 1.4.2 静电植绒在锂电池制作过程中的应用20-21
• 1.5 本论文的研究思路和研究内容21-23
• 1.5.1 研究思路21
• 1.5.2 研究内容21-23
• 第二章 实验及电化学测试分析方法23-30
• 2.1 引言23
• 2.2 实验药品及仪器设备23-25
• 2.2.1 药品及试剂23-24
• 2.2.2 实验仪器与设备24-25
• 2.3 材料结构表征手段25-26
• 2.3.1 扫描电子显微技术25
• 2.3.2 透射电子显微技术25
• 2.3.3 X-射线衍射（XRD）25-26
• 2.3.4 傅里叶红外光谱（FTIR）26
• 2.3.5 拉曼光谱（Raman）26
• 2.4 锂离子电池的组装26-28
• 2.4.1 电极的制备26-27
• 2.4.2 电池的组装27-28
• 2.5 电化学性能的测试28-30
• 2.5.1 恒流充放电测试28
• 2.5.2 循环伏安法28-30
• 第三章 石墨烯的制备与表征30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 实验部分30-36
• 3.2.1 石墨烯的制备30-34
• 3.2.2 石墨烯制备过程工艺研究34-36
• 3.3 石墨烯的结构与形貌36-41
• 3.3.1 扫描电镜分析（SEM）36-37
• 3.3.2 原子力显微结构分析（AFM）37-38
• 3.3.3 X射线衍射图谱（XRD）38
• 3.3.4 红外光谱分析（FTIR）38-39
• 3.3.5 拉曼光谱分析（Raman）39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 锂离子电池负极材料的静电植绒法及其电化学性能42-52
• 4.1 引言42
• 4.2 锂离子电池负极材料的制备方法及电池制作42-45
• 4.2.1 涂层法42-43
• 4.2.2 静电植绒法43-45
• 4.3 结果与讨论45-51
• 4.3.1 静电植绒工艺特点研究45-46
• 4.3.2 静电植绒电极片SEM分析46-47
• 4.3.3 电化学性能分析47-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 冷冻干燥法多孔石墨烯的静电植绒制备及电化学性能研究52-65
• 5.1 引言52-53
• 5.2 实验部分53-56
• 5.2.1 冷冻干燥技术及组成部分53
• 5.2.2 冷冻干燥多孔石墨烯的静电植绒法制备53-55
• 5.2.3 冷冻干燥多孔石墨烯的表征55-56
• 5.3 结果与讨论56-64
• 5.3.1 冷冻干燥多孔石墨烯的微观结构56-60
• 5.3.2 冷冻干燥多孔石墨烯的电化学性能分析60-62
• 5.3.3 冷冻干燥多孔石墨烯的储锂机理分析62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 结论与展望65-67
• 6.1 结论65
• 6.2 不足与展望65-67
• 6.2.1 不足65-66
• 6.2.2 展望66-67
• 参考文献67-70
• 硕士期间研究成果70-71
• 致谢71

【共引文献】

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本文编号：381245