铁基石墨烯复合材料的制备及其锂电性能研究

发布时间：2017-07-19 01:22

  本文关键词：铁基石墨烯复合材料的制备及其锂电性能研究

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【摘要】：锂离子电池具有工作电压高、比容量大、循环寿命长、无污染等优点,现被广泛应用于智能手机、笔记本电脑等消费型电子产品,在高比能量的便携式电源和动力电池等领域显示出诱人的前景,已成为世界各国关注的焦点之一。目前广泛采用的石墨类碳基负极材料由于理论容量较低、倍率性能较差,难以满足动力电池的应用需要。因此,研制高比容量、高倍率和高循环稳定性的负极材料已成为促进高性能锂离子电池技术发展的关键。铁基材料由于具有高的理论容量、价格便宜等优点,近年来成为下一代锂离子电池负极材料研究的热点。本论文选取铁基材料的两个典型代表氧化铁(Fe2O3)和硫化亚铁(FeS2)作为研究对象,结合石墨烯/还原氧化石墨烯(RGO)材料的高比表面积、高稳定性和高导电率等优势,制备铁基石墨烯复合材料,并研究了其作为新型锂离子电池负极材料电化学性能,开展了如下工作:(1)Fe2O3/RGO复合材料的制备及其电化学性能研究:将氯化铁溶液和氧化石墨烯(GO)溶液混合均匀后,通过一步水热反应得到具有梭形结构的Fe2O3/RGO复合材料。该方法简单易行,且容易规模化生产。所得样品梭形结构的Fe2O3颗粒较小,尺寸均一,且均匀地负载在RGO上,Fe2O3和RGO得到了良好的复合。该复合材料表现出了较高的可逆容量和良好的循环稳定性以及较好的倍率性能,即在100 mA g-1条件下循环100次后,其可逆容量为613.3 mAh g-1,在300 mA g-1电流密度下循环200次后,其可逆容量仍达497.01 mAh g-1。相比于单纯的Fe2O3,Fe2O3/RGO复合材料的电化学性能得到了极大的改善。(2)FeS2/RGO复合材料的制备及其电化学性能研究:将氯化铁溶液、氧化石墨烯(GO)溶液和硫脲溶液混合均匀后,一步水热法制备了多级微球FeS2/RGO复合材料,测试表明其具有优异的储锂性能。该复合材料形貌独特,RGO组成了交联的网络结构,而FeS2则由小尺寸的块状晶体自组装成微球,均匀地分布在还原氧化石墨烯片层上,或者包覆其中。这种独特的形貌结构,不仅给电解液和电极提供了大的接触面积,利于电子和锂离子的扩散,在充放电过程中,还可以缓冲电化学活性材料FeS2产生的体积形变,同时也使得块状FeS2和RGO的协同作用进一步增强,电从而极大地提高了极的电导率。作为锂离子电池负极材料,在100 mA g-1时,表现出了很高的初始容量,达到了1147 mAh g-1,循环了60圈以后,仍保持1001.41 mAh g-1的容量,大大超过了石墨负极的理论容量,表现出了很高的循环稳定性。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 石墨烯 Fe2O3 FeS2
【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】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 锂离子电池概述10-16
• 1.2.1 锂离子电池发展简介10-11
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理11-12
• 1.2.3 锂离子电池的特点12-13
• 1.2.4 锂离子电池正极材料13
• 1.2.5 锂离子电池负极材料13-16
• 1.3 石墨烯及其储能应用16-18
• 1.4 选题依据和研究内容18-20
• 1.4.1 选题依据18
• 1.4.2 研究内容18-20
• 第2章 实验器材和表征测试20-24
• 2.1 实验器材20-21
• 2.1.1 实验材料与试剂20
• 2.1.2 实验设备与仪器20-21
• 2.2 物理表征21-22
• 2.2.1 X射线衍射分析（XRD）21-22
• 2.2.2 扫描电镜分析（SEM）22
• 2.2.3 透射电镜分析（TEM）22
• 2.2.4 热重-红外光谱联用（TG-IR）22
• 2.2.5 拉曼光谱（Raman）22
• 2.2.6 X射线光电子能谱（XPS）22
• 2.2.7 等离子体原子发射光谱（ICP）22
• 2.3 电化学表征22-24
• 2.3.1 锂离子电池制备22-23
• 2.3.2 锂离子电池测试23-24
• 第3章 梭形Fe_2O_3/石墨烯复合材料的水热制备及其锂电性能研究24-36
• 3.1 引言24-25
• 3.2 材料制备25
• 3.2.1 氧化石墨烯GO溶液的制备25
• 3.2.2 Fe_2O_3/RGO复合材料的制备25
• 3.3 物理表征与分析25-30
• 3.3.1 材料合成过程与分析25-26
• 3.3.2 XRD测试结果与分析26-27
• 3.3.3 TG测试结果与分析27-28
• 3.3.4 Raman测试结果与分析28
• 3.3.5 SEM、TEM测试结果与分析28-30
• 3.4 电化学性能测试与分析30-35
• 3.4.1 CV测试结果与分析30-31
• 3.4.2 充放电曲线分析31-32
• 3.4.3 循环性能测试与分析32-33
• 3.4.4 倍率性能测试与分析33-34
• 3.4.5 EIS测试与分析34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第4章 FeS_2微球/石墨烯复合材料的水热制备及其电化学性能研究36-52
• 4.1 引言36-38
• 4.2 材料制备38
• 4.2.1 氧化石墨烯GO的制备38
• 4.2.2 FeS_2/RGO复合材料的制备38
• 4.3 物理表征与分析38-44
• 4.3.1 材料合成过程与分析38-39
• 4.3.2 XRD测试与分析39-40
• 4.3.3 TG测试与分析40
• 4.3.4 Raman测试与分析40-41
• 4.3.5 XPS测试与分析41-42
• 4.3.6 SEM、TEM测试与分析42-44
• 4.4 电化学性能测试与分析44-51
• 4.4.1 CV测试与分析44-45
• 4.4.2 充放电曲线分析45-46
• 4.4.3 循环性能测试与分析46-50
• 4.4.4 倍率性能测试与分析50
• 4.4.5 EIS测试与分析50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第5章 结论与展望52-54
• 5.1 结论52
• 5.2 本论文创新之处52
• 5.3 展望52-54
• 参考文献54-65
• 致谢65-66
• 个人简历66-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67

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