掺杂金属氧化物与石墨烯复合材料的微波合成及其电化学性能的研究

发布时间：2020-11-03 04:51

　　 微波法即微波辐射加热法,因为其操作简单、高效快捷、绿色无污染,在材料合成领域具有广泛的应用前景,特别是在纳米材料的合成方面。锂离子电池具有工作电压高,对环境污染小,可快速充放电,充放电寿命长,比能量高,无记忆效应,体积小、质量轻,安全性能高等优点,被认为是未来电动汽车最理想的候选动力电源。由于钠离子电池工作原理与锂离子电池相似,但地壳中钠盐原材料储量丰富,价格低廉,对钠离子电池的研究也吸引了研究者的兴趣。本论文利用微波法合成了掺杂金属氧化物与石墨烯的复合材料,并将其分别应用于锂离子电池或者钠离子电池负极材料,研究掺杂对其电化学性能的影响。具体工作分为以下两个部分:(一)利用微波法合成了不同掺铬量(0.0,2.0,4.0,6.0和8.0at%)的Cr-doped Fe_2O_3/rGO复合材料,利用SEM、XRD、TGA以及XPS等测试手段对材料的形貌、晶体结构、组成成分进行分析,并将其用作锂离子电池负极材料,探究铬含量对其电化学性能的影响。主要内容:(1)利用微波法合成了不同掺铬量的Cr-dopedFe_2O_3/rGO复合材料,研究结果表明,铬掺杂不仅能够影响复合材料中Fe_2O_3纳米颗粒的大小,而且能够改变材料的晶体结构,掺铬后,复合材料中Fe_2O_3颗粒尺寸显著减小,且由α-Fe_2O_3相转化为γ-Fe_2O_3相。将不同掺铬量的Cr-doped Fe_2O_3/rGO复合材料装成锂离子半电池,通过其电化学性能的测试,得出结论掺铬量的不同可以影响材料的容量、导电性、循环性能和倍率性能。当掺铬浓度为4.0 at%时,Cr-doped Fe_2O_3/rGO复合材料导电性最好,可逆容量最高,在电流密度为0.1 A g~(-1)恒流充放电,循环100圈后比容量为1060 mAh g~(-1);在电流密度为0.5 A g~(-1)时,首次放电比容量为1044.9 mAh g~(-1),循环100圈后容量为908 mAh g~(-1),200圈后为769 mAh g~(-1),且其库伦效率一直稳定为99%左右;在电流密度为5 A g~(-1)时,放电比容量为379 mAh g~(-1),说明4.0 at%Cr-doped Fe_2O_3/rGO具有优异的循环稳定性和倍率性能。(2)将4.0 at%Cr-doped Fe_2O_3/rGO复合材料用作负极,LiNi1/3Mn1/3Co1/3O_2和LiCoO_2正极材料分别用作正极,组装成锂离子扣式全电池,结果表明全电池具有良好的循环稳定性,在0.5C时充放电,4.0 at%Cr-doped Fe_2O_3/rGO-NCM 全电池的比容量为 110 mAh g~(-1),4.0 at%Cr-doped Fe_2O_3/rGO-LCO全电池循环75圈后,全电池的比容量为140 mAh g~(-1)。(二)利用微波法一步合成了不同掺锑量(0.0,2.0,4.0,6.0,8.0和10.0 at%)的Sb-doped SnO_2/rGO复合材料,SEM结果表明极其细小的SnO_2纳米颗粒均匀的负载在石墨烯片层上,以金属钠为对电极,将复合材料用作钠离子负极材料。通过恒流充放电等手段对材料的电化学性能进行测试,结果表明,在掺锑含量小于8.0 at%时,随着掺杂浓度的增加,复合材料的电荷转移电阻减小,导电性能提高,且材料的循环性能和倍率性能都有所提升。当电流密度为0.05 A g~(-1),8.0 at%Sb-doped SnO_2/rGO 的钠电比容量为 483 mAh g~(-1),0.1A g~(-1) 时为 390 mAh g~(-1),0.2 Ag~(-1) 时为 271 mAh g~(-1),0.5 Ag~(-1) 时为 199 mAh g~(-1),1Ag~(-1) 时为 127 mAh g~(-1)。
【学位单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

?２５０??Ｅｎｅｒｇｙ?ｄｅｎｓｉｔｙ?（Ｗ?ｈ?ｋｇ＂１）??图１．１锂离子电池与其他常见电池体积比能量和质量比能量的比较ｗ??Ｆｉｇ．１．１?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｏｆ?ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ?ｂａｔｔｅｒｙ?ｗｉｔｈ?ｏｔｈｅｒ?ｂａｔｔｅｒｉｅｓ?ｉｎ?ｔｅｒｍｓ?ｏｆ??ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ?ａｎｄ?ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ?ｅｎｅｒｇｙ?ｄｅｎｓｉｔｙ１４１??由于电子信息产业的高速发展，特别是移动电话、数码相机和笔记本电脑等??小型便携式电子产品的大量使用，给锂离子电池带来了巨大的市场发展潜力。此??夕卜，为了应对汽车产业迅猛发展带来的石油资源枯竭和环境污染等负面影响，响??应国家节能减排的号召，降低城市污染，以电代替石油的方案被提出，采用清洁??能源的电动汽车及混合动力汽车应运而生，新能源汽车开始走进人们的视野，交??通工具的动力源开始由汽油转变为电能，而对电能的储存成为了解决问题的关键，??人们迫切的需要一种大功率、高容量的储能元件。锂离子电池由于其工作电压高，??不含有毒有害物质、对环境污染小

化石墨悬浮液，并先后用５％?ＨＣ１溶液和去离子水洗涤直到分离液成中性。（６）??将洗涤后呈中性的氧化石墨分散于去离子水中，细胞粉粹２?ｈ，并超声震荡剥离??３?ｈ，即得到氧化石墨烯悬浊液。图３．１为氧化石墨烯的制备工艺流程图。??３．２．１．２?歸３纳米颗粒的微波合成??微波法制备三氧化二铁（Ｆｅ２〇３）纳米颗粒的具体方法：（１）称取０．８１?ｇ??ＦｅＣｌｒ６Ｈ２０溶于１５０?ｍＬ去离子水中，配置成离子浓度为０．０２?ｍｏｌ?Ｉ；１的三氯化??铁水溶液，加入１．２ｇ尿素后，超声分散ｌＯｍｉｎ后，磁力搅拌３０ｍｉｎ。（２）将混??合溶液倒入三口圆底烧瓶，并放入微波催化合成仪中，调节微波的功率为６００Ｗ，??反应温度设置为１００°Ｃ，在微波作用下加热反应１０ｍｉｎ，待反应结束后，反应容??器中溶液变为红棕色。（３）静置反应容器，待温度冷却至室温后，离心，并用乙??醇和去离子水洗涤３－４次，在７０?°Ｃ真空干燥２４?ｈ后，在氩气中５００?°Ｃ退火２?ｈ，??得到Ｆｅ２〇３纳米颗粒。??３．?２．１．?３?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３纳米颗粒的微波合成??微波法制备铬掺杂三氧化二铁（Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２０３）纳米颗粒的具体方法：（１）??称取０．８１?ｇ?ＦｅＣｌ；ｒ６Ｈ２〇溶于１５０?ｍＬ去离子水中，配置成离子浓度为０．０２?ｍｏｌ?Ｌ－１??的三氯化铁水溶液

澹洌疲澹博枺常?颍牵系奈⒉ê铣杉帮?缧阅懿馐裕崳?图３．２为试验中利用改进的Ｈｕｍｍｅｒｓ法制备的氧化石墨烯的扫描电镜图片。??由该图可以看出，利用改进的Ｈｍｎｍｅｒｓ法制备的氧化石墨烯为典型的二维纳米??片层结构，且具有明显的卷曲和褶皱现象出现，没有出现团聚现象。??３．３．?１．２?Ｆｅ２〇３?和?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３?的?ＳＥＭ?分析??圓＿：??＊ＷｒＶ?＾?ｆ￣Ｕ?＇？：．＊?？：＊＆?？＇－＊？＊％?ｖ＇Ｔ，?０?２?４?６?８?１０?１２??图３．３?（ａ－ｅ）分别为０．０－８．０?ａｔ％?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３纳米颗粒的扫描图；（ｆ）为掺杂??量为?４．０?ａｔ％?的?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３?的?ＥＤＳ?图??Ｆｉｇｕｒｅ?３．３?（ａ－ｅ）?Ｔｙｐｉｃａｌ?ＳＥＭ?ｉｍａｇｅｓ?ｏｆ?ｕｎｄｏｐｅｄ，?２．０?ａｔ％，?４．０?ａｔ％，?６．０?ａｔ％?ａｎｄ??８．０?ａｔ％?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ，?（ｆ）?ｔｈｅ?ＥＤＳ?ｓｐｅｃｔｒｕｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?４．０?ａｔ％??Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２〇３?ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ??如图３．３?（ａ）为不掺杂的Ｆｅ２０３纳米颗粒的扫描图，由图可以看出Ｆｅ２０３纳??米颗粒的粒径大小比较均一，直径大约为５５ｎｍ。图３．３?（ｂ－ｅ）分别为掺杂量为??２．０－８．０?ａｔ％?Ｃｒ－ｄｏｐｅｄ?Ｆｅ２０３纳米颗粒的扫描图
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本文编号：2868118