自支撑石墨烯基复合膜的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-11-18 02:23

  本文关键词：自支撑石墨烯基复合膜的制备及其电化学性能研究

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【摘要】：锂离子电池作为一种新型的储能设备,已经在便携式电子产品上面得到广泛的应用。随着电动汽车和柔性电子等领域的发展,对锂离子电池提出了更高的要求,包括更高的功率密度、更高的输出电压、更高的工作温度和更好的安全性能、以及具备良好的力学性能和柔韧性。对于高性能锂离子电池而言,电极活性材料的改进和革新是提高其综合性能的核心和关键。在锂离子电池负极材料方面,商业化的石墨负极理论比容量低(372 mAh g-1),不能满足新一代高性能锂离子电池的要求,研发其可代替材料是一种较好的选择。过渡金属氧化物负极和硅负极材料就有更高的比容量,是很有发展前景的负极材料,然而因其在循环过程中的体积膨胀效应导致容量衰减过快的问题是限制其应用的主要瓶颈。石墨烯作为一种新型的二维材料,具有极强的导电性和极好的力学强度,可以作为过渡金属氧化物负极和硅负极的载体,抑制其充放电过程中体积效应,达到改善其性能的目的。因而,本论文通过制备石墨烯和过渡金属氧化物三维复合材料,以及石墨烯和硅纳米颗粒三维复合材料,考察其微观结构和性能的关系,进一步优化材料的结构,得到了一些有意义的结果。1.首先用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯,将其水溶液抽滤成膜并还原后得到了自支撑的石墨烯膜,然后再通过简单的溶剂热-热分解法在石墨烯膜的表面生长出多孔的Co3O4纳米片阵列,得到自支撑的Co3O4纳米片/石墨烯复合膜材料。SEM结果表明Co3O4纳米片之间相互贯穿,形成一个三维有序多孔的纳米片阵列,且Co3O4纳米片是由纳米颗粒构成的。将这种复合膜用作锂离子电池负极材料,在200 mA g-1的电流密度下,经过200次循环后,可逆容量高达453 mAh g-1,倍率性能测试中,电流密度从100 mA g-1逐渐增大到2000 mA g-1,在这些不同的电流密度下分别循环10次后再返回到100 mA g-1的电流密度时,其可逆容量可恢复到650 mAh g-1,表现出较纯的石墨烯膜和纯的Co3O4粉末更为优异的电化学性能。2.首先通过水热法合成了MnO2纳米线,然后将其加入到氧化石墨烯水溶液中,超声分散搅拌均匀,然后再将该均匀的混合溶液抽滤成膜,还原后得到了自支撑MnO2纳米线/石墨烯复合膜。SEM的测试结果表明,还原以后的MnO2纳米线/石墨烯复合膜具有多孔结构,MnO2纳米线均匀地夹杂在石墨烯的片层之间。电化学性能测试结果表明,在200 mA g-1的电流密度下,200次循环后的可逆容量高达480 mAh g-1。倍率性能测试中,电流密度分别为100、200、500、1000、2000 mA g-1时,其可逆比容量分别是900、600、400、300、200 mAh g-1。它表现出比纯MnO2纳米线更加优异的性能,改善了纯MnO2的循环稳定性能和倍率性能。3.将表面功能化处理的Si纳米颗粒和氧化石墨烯水溶液进行超声分散,搅拌均匀,利用Si纳米颗粒表面的氨基和氧化石墨烯表面的含氧基团之间的缩合反应,使得Si纳米颗粒均匀的附着在氧化石墨烯片上面,经过抽滤成膜和还原以后得到自支撑的Si纳米颗粒/石墨烯复合膜。SEM测试结果表明这种复合膜是一种层状结构的多孔膜,Si纳米颗粒均匀的负载在石墨烯片上面并夹在片层之间的多孔结构当中。将其用作锂离子电池负极材料,在400 mA g-1的电流密度下,首次放电比容量为2500 mAh g-1,充电比容量为1350 mAh g-1,对应的库伦效率为54%,且7次循环以后库伦效率就一直保持在98%以上,经历1300次循环以后复合膜的可逆比容量仍具有660 mAh g-1。倍率性能结果表明,当电流密度分别为100、200、500、1000、2000 mA g-1时,其可逆比容量分别是1718、1206、864、598、307 mAh g-1。显著地改善了纯Si纳米颗粒容量衰减太快、循环稳定性差、循环寿命短、体积膨胀效应严重等方面的问题。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O613.71;TM912

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