石墨烯的电化学制备及其作为锂离子电池正极导电剂的研究

发布时间：2020-04-17 12:22

【摘要】：石墨烯是一种二维的片层碳材料,具有导电性好、导热率高、比表面积大、强度高等特点。在锂离子电池、超级电容器、燃料电池、电解水催化剂等电化学领域具有良好的潜在应用价值。实现石墨烯的产业化和商业化发展的前提是要得到结构优异的石墨烯材料,因此石墨烯的规模化制备对于石墨烯的实际应用具有非常重要的意义。在储能方面,石墨烯作为锂离子电池导电剂是有可能最先产业化的应用。本论文主要通过电化学插层法和超声剪切结合来制备石墨烯,并探究了石墨烯导电剂对锂离子电池正极材料的影响。主要内容如下:首先研究了石墨棒在有机电解液(NMP+四丁基硫酸氢铵)中的电化学剥离。在不同的直流电压和电解液浓度时对石墨棒进行插层,随着电压和电解液浓度增大,石墨剥离量增加;随后对剥离石墨进行超声剪切得到石墨烯分散液,在0.2 mol L~(-1),40 V时石墨烯含量最大为0.65 mg mL~(-1),层数在20层左右,层间距由0.335 nm增加到0.825 nm。然后研究了石墨纸在有机电解液(NMP+四丁基硫酸氢铵)中的电化学剥离,避免了石墨颗粒提前剥落的发生,得到了少层的石墨烯产物。最后研究了石墨纸在水系电解液(水+四丁基硫酸氢铵)的电化学剥离,在电解液浓度为0.2 mol L~(-1),直流电压为10 V时进行剥离,该过程有大量的气泡产生,促进了石墨片层之间分离。经超声剪切和冷冻干燥后得到石墨烯产物。大约有69%尺寸分布在2~5μm,厚度在10 nm以下的占总数的80%。虽然石墨烯存在部分缺陷但是缺陷程度明显低于氧化石墨烯。将得到的石墨烯经过剪切-超声过程分散在NMP中得到了具有一定流动性,粘性适中的导电浆料。石墨烯浆料与商用锂离子电池正极材料混合涂覆在铝箔上进行SEM表征发现,正极材料颗粒均匀的分布在石墨烯片层上,并且部分颗粒在两层石墨烯中间,避免了颗粒之间的堆积,更利于形成导电网络,提高极片的导电性,使锂离子更容易嵌入脱出。通过电化学测试表明石墨烯导电浆料比Super P导电作用优异。通过循环伏安CV图中峰间距,峰值电流的对比,发现石墨烯作导电剂电池的可逆性更好;在不同倍率下测试,石墨烯导电浆料降低了正极材料的极化,提高了倍率性能。在5 C时,磷酸铁锂在石墨烯作导电剂的比容量比Super P作导电剂高44.6 mAh g~(-1),就NCM而言,2C时石墨烯浆料作导电剂比容量为100.6 mAh g~(-1),比Super P作导电剂比容量高22.1mAh g~(-1);交流阻抗对比可知,石墨烯导电浆料半圆直径更小故R_(ct)小,更利于锂离子在电极材料之间传递。
【图文】：

电解液浓度,石墨,电压

层沉淀重新分散在去离子水中，充分乳化超声后，对石墨水溶液征。电化学剥离参数的影响离量与电解液浓度和电压之间的关系地说明电化学插层法对石墨剥离的作用，对不同的电压及电解液进行洗涤，干燥称量质量如图 3.1 所示。当电解液浓度为 0.5 m60 V 时石墨的剥离量分别为 0.41，0.59，0.63，0.78，0.84 g；当从 0.1 mol L-1增加到 0.5molL-1时石墨的剥离量分别为 0.40，0故表明在相同的时间下，电压一定时，石墨剥离量随着电解液浓施加一定的驱动力，有更多的 TBA+嵌入了石墨片层间，导致石，更多的石墨被剥落；电解液浓度一定时，电压增大，驱动力增散速率加快，也会使得更多的离子嵌入石墨层中，故石墨的剥离渐增多。所以增加电解液浓度，，增大直流电压都可以使得石墨剥

电解液浓度,直流电压,石墨,电压

当电压为 40V，电解液浓度电解液浓度从 0.1molL墨烯分散液中石墨烯的含量分别为 0.38，0.65，0.55，0.41，0.度为 0.2 mol L-1，电压从 20 V 到 60 V 时石墨烯分散液中石墨烯，0.65，0.33，0.30 mg mL-1。与图 3.1 相比较可知，石墨烯在分散落石墨的质量成正相关，而是在一定的电压和电解液浓度时存在，石墨烯浓度随着四丁基四氟硫酸铵浓度的增大先升高后趋于稳在溶液中的面积一定，在某个特定的电压下，2h 内插入的 TBA这样就会使得石墨烯浓度最终趋于稳定；在电解液浓度一定时，浓度先增加后减小，是由于石墨棒是石墨颗粒压制而成，电压太石墨颗粒就已经脱落，无法进一步的进行插层过程。所以在电解流电压在 40 V 时出现最大值，此时石墨烯浓度为 0.65 mg mL-1。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM912

【参考文献】