石墨烯的制备及在锂电池的运用中对电池性能的影响

发布时间：2017-07-31 20:00

  本文关键词：石墨烯的制备及在锂电池的运用中对电池性能的影响

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【摘要】：石墨烯是仅仅只有一个碳原子厚度的Sp~2杂化的二维新型材料,由于其具有良好的导电性,较大的比表面积,优越的机械性,被认为是一种很有前途的锂离子电池阳极材料。目前,可供选择的替代阳极材料如硅、锗、锡和铝等走向商业化还有一些技术难点需要突破,而石墨烯由于其优良的机械和电化学稳定性拥有更大的可能性。事实上,由于石墨烯阳极在商业应用中的可行性,在过去的几年里,研究人员已经逐渐开始将他们的重点转移到以石墨烯为基础的阳极。目前的锂离子电池采用石墨阳极,进一步转换为石墨烯阳极不需要原材料的重大改变。本文制备出氧化石墨烯并采用不同的还原方法还原氧化石墨烯,然后采用还原氧化石墨烯(RGO)制备石墨烯金属氧化物复合材料,然后用复合材料制备锂电池阳极并采用三电极电池测试其电化学性能,发现材料的电化学性能得到了极大的提高,具体研究结果如下：采用发烟浓硫酸还原氧化石墨烯(SRGO)。通过XPS和拉曼光谱证明了还原显著修复了因氧化而破坏的石墨烯共轭体系,SRGO的电导率相比氧化石墨烯(GO)提高四个数量级。对比其他的石墨烯的包覆方法,本文提出的方法不需要热处理,使石墨烯能够包覆热不稳定氧化物粒子,实验制备的Ni/Fe2O3纳米颗粒能均匀分布在SRGO表面,在电流密度(C/20)下相比未包覆的颗粒,SRGO包覆的纳米材料制备的电极的倍率性能和循环稳定性明显增强了。制备SnS/RGO复合材料作为锂电池阳极材料,材料制备过程中,氧化石墨烯(G0)从水胶体分离并转移到N,N-二甲基甲酰胺基,盐酸和乙醇添加对氧化石墨烯从水胶体中分离起着至关重要的作用。复合电极可以在电位区间为0.01-2.5 V内可逆循环,具有比容量630 mA. h.g-1,这比单独硫化锡阳极高得多,此外,CMC黏结剂的电极显示出优异的倍率性能和循环性能。采用二氧化锰／RGO复合材料作为阳极材料,纳米复合材料具有介孔结构和高比表面积,相比Mn02纳米材料。可以提供更多的电化学反应区域,同时由于石墨烯的优异的电导率及Li离子快速扩散,复合材料明显提高了电极的比容量及倍率性能,此外,介孔二氧化锰／RGO纳米复合材料可以缓冲重复转换反应中的MnO2的体积扩张,使循环性能优良。而且发生在MnO和Mn304之间的额外的转换反应进一步增加了电极的比电容及首次库伦效率。基于目前锂电池阴极性能的严重不足,本文制备石墨烯锂复合材料并作为锂离子阴极。使用石墨烯锂反电极和石墨烯阳极使锂离子电池具有全碳结构且还具有许多优势。首先,通过不使用钴而减少毒性使环境具有可持续性。此外,通过不使用许多以掺杂物的形式进入商业阴极的金属(镍、铝、铁和铜)和导电添加剂可以显著降低电极的成本。相比之下,全碳电池基本上由碳阳极和石墨烯锂反电极组成,大大减少电极的成本和复杂性。最后,通过在反电极中结合纯金属锂来显著的提高比容量,降低了阴极的重量,也没有添加其他金属化合物。
【关键词】：石墨烯 石墨烯锂电池 阳极材料 阴极材料
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 石墨烯的制备12
• 1.2 石墨烯应用12-13
• 1.2.1 石墨烯导电薄膜12
• 1.2.2 超级电容器12-13
• 1.2.3 锂离子电池材料添加剂13
• 1.2.4 石墨烯/金属复合材料13
• 1.3 离子电池的应用13-14
• 1.4 锂离子电池的要求14
• 1.5 锂电池石墨烯阳极材料14-17
• 1.6 锂电池阴极材料及现有技术17-20
• 1.6.1 阴极的现有技术18-20
• 1.7 本文的研究意义20-22
• 第2章 Ni/Fe_2O_3/石墨烯复合材料的制备及其锂电性能研究22-29
• 2.1 实验部分22-23
• 2.1.1 实验试剂22
• 2.1.2 实验仪器与设备22
• 2.1.3 石墨烯氧化物合成22-23
• 2.1.4 镍/Fe_2O_3纳米粒子的合成23
• 2.1.5 无机纳米粒子的功能化23
• 2.1.6 电池制备及电化学表征23
• 2.2 结果与表征23-28
• 2.2.1 结构与形态表征23-26
• 2.2.2 电化学表征26-28
• 2.3 本章小结28-29
• 第3章 SnS/石墨烯复合材料的制备及其锂电阳极性能研究29-43
• 3.1 实验部分29-31
• 3.1.1 实验试剂29
• 3.1.2 硫化锡纳米粒子合成29
• 3.1.3 氧化石墨烯(GO)的制备29
• 3.1.4 GO-DMF胶体的制备29-30
• 3.1.5 还原氧化石墨烯(RGO)/硫化锡(SnS)纳米复合粒子的制备30
• 3.1.7 电池制备及电化学表征30-31
• 3.2 结果与表征31-42
• 3.2.1 电极材料表征和分析31-36
• 3.2.2 电化学表征与分析36-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第4章 MnO_2/石墨烯复合材料的制备及其锂电阳极性能研究43-53
• 4.1 实验部分43-44
• 4.1.1 实验试剂43
• 4.1.2 实验仪器与设备43
• 4.1.3 氧化石墨烯的制备43
• 4.1.4 氧化石墨烯还原43
• 4.1.5 制备二氧化锰/RGO纳米复合材料和MnO_2纳米颗粒43-44
• 4.1.6 电池制备及电化学测试44
• 4.2 结果与表征44-52
• 4.3 本章小结52-53
• 第5章 石墨烯/锂金属复合材料的制备及锂电池阴极中的应用53-58
• 5.1 实验部分53-55
• 5.1.1 实验试剂53
• 5.1.2 实验仪器与设备53
• 5.1.3 氧化石墨烯制备53
• 5.1.4 闪光还原氧化石墨烯锂阴极制备53-55
• 5.1.5 半电池制备及电化学测试55
• 5.2 结果与表征55-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第6章 全文总结与展望58-60
• 6.1 全文总结58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-68
• 致谢68

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