石墨烯基锗酸盐、锡酸盐材料的合成及其作为锂电池负极材料的性能研究

发布时间：2017-08-06 03:24

  本文关键词：石墨烯基锗酸盐、锡酸盐材料的合成及其作为锂电池负极材料的性能研究

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【摘要】：本论文主要探讨含过渡金属的化合物在锂离子电池中作为负极材料的电化学性能。主要采用固相法初步合成金属化合物锗酸锰、锗酸钴,用共沉淀法合成锡酸钴前驱体,然后用水热法将上述化合物与氧化石墨烯进行复合,最后在氮气氛下煅烧得到电化学活性材料。采用用x射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、x射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FT-IR)对产物进行微观结构及物相分析;电化学活性材料的电化学性能测试方法包括循环伏安法(CV)、恒电流充放电测试、循环性能测试、倍率性能测试及电化学阻抗(EIS)。本论文主要从以下几方面进行:本文采用固相合成法制备锗酸钴。将合成的锗酸钴与氧化石墨烯按一定比例进行水热反应,最后将其与阿拉伯树胶一起煅烧得到锗酸钴、石墨烯和热解碳的复合物。在200mA g-1的电流密度下,目标产物CoGCs/C-4(石墨烯质量含量为20.3%及热解碳含量为3.87%)的第一次放电比容量达2000 mAh g-1,充电比容量达1300 mAh g-1,在50圈循环后放电比容量达782 mAh g-1(十分接近CoGeO_3的理论比容量776.4 mAh g-1),达到几乎接近100%的库伦效率。采用固相法合成锗酸锰。将锗酸锰与氧化石墨烯按一定比例在180℃下反应24 h进行水热反应。MnGeO_3/G-16(石墨烯质量含量为15.88%)复合物具有良好的电化学性能,在200 mA g-1的电流密度下,在第一周放电比容量达到1570 mAh g-1、充电比容量为908 mAh g-1,循环50周之后放电比容量为532 mAh g-1、充电比容量为524 mAh g-1,库仑效率为98.5%(接近100%)。采用共沉淀反应、煅烧法合成非晶态锡酸钴,将其与氧化石墨烯进行水热反应,再在氮气氛下将其与阿拉伯树胶的混合物煅烧得到锡酸钴、石墨烯和热解碳的复合物。目标产物CoSnG-C(石墨烯质量含量为17.01%、活性碳含量3.27%的锡酸钴复合物)在电流密度为200 mA g-1下循环到50周后放电比容量为647 mAh g-1、充电比容量630 mAh g-1,库伦效率为97.4%,接近100%。
【关键词】：锂离子电池 CoGeO_3纳米粒子 MnGeO_3粒子 CoSnO_3 石墨烯 热解碳
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912;O646
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 锂离子电池的发展概况13-14
• 1.3 锂离子电池的分类及原理14-15
• 1.4 锂离子电池的负极材料15-17
• 1.4.1 碳类负极材料15-16
• 1.4.2 锗基化合物类负极材料16-17
• 1.4.3 锡基化合物类负极材料17
• 1.5 锂离子电池正极材料17-19
• 1.5.1 锂离子电池的正极材料—锰酸锂17-18
• 1.5.2 钴酸锂正极材料18
• 1.5.3 镍钴锰三元正极材料18
• 1.5.4 磷酸铁锂正极材料18-19
• 1.6 本论文研究内容和创新点19-21
• 1.6.1 本论文研究内容19
• 1.6.2 本论文的创新点19-21
• 第二章 合成方法与表征21-29
• 2.1 合成方法21-23
• 2.1.1 固相合成法21
• 2.1.2 水热合成法21
• 2.1.3 共沉淀法21-23
• 2.2 药品与试剂23
• 2.3 仪器和设备23-24
• 2.3.1 实验仪器23
• 2.3.2 实验表征仪器23-24
• 2.4 材料的分析表征24-27
• 2.4.1 X-射线粉末衍射分析（XRD）24-25
• 2.4.2 热重分析（TGA）25
• 2.4.3 拉曼光谱（Raman spectra）25-26
• 2.4.4 X-射线光电子能谱分析（XPS）26
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）26
• 2.4.6 傅立叶变换红外光谱分析（FT-IR）26-27
• 2.5 电化学测试27-29
• 2.5.1 电池的制备27
• 2.5.2 循环伏安法（CV）27
• 2.5.3 交流阻抗法（EIS）27-28
• 2.5.4 恒电流充放电测试28-29
• 第三章 石墨烯覆盖、碳胶囊包覆的CoGeO_3纳米复合物的制备及电化学性能研究29-47
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验部分30-31
• 3.2.1 CoGCs 及 CoGCs/C-4 复合材料的制备30-31
• 3.2.2 负极极片的制备及电性能测试31
• 3.2.3 结构表征31
• 3.3 结果与讨论31-46
• 3.3.1 CoGeO_3、CoGCs、CoGCs/C-4 的物相分析-X 射线衍射谱峰31-32
• 3.3.2 石墨烯及热解碳在 CoGCs 及 CoGCs/C-4 的热重分析32-33
• 3.3.3 CoGCs 及 CoGCs/C-4 微观结构分析—透射电镜图33-34
• 3.3.4 纯 CoGeO_3和 CoGCs/C-4 的拉曼结构分析34-35
• 3.3.5 CoGCs/C-4 的 X 射线光电子能谱分析35-36
• 3.3.6 CoGeO_3、CoGeO_3与不同石墨烯含量复合物及的 CoGCs/C-4 的电性能分析36-46
• 3.3.6.1 循环性能分析（小电流下）37-38
• 3.3.6.2 不同复合物的循环性能分析38-42
• 3.3.6.3 循环伏安曲线及充放电机理分析42-44
• 3.3.6.4 CoGCs/C-4 循环 100 周后的材料的电镜图44-45
• 3.3.6.5 循环 100 周后的 CoGCs/C-4 的 X 射线光电子能谱图45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 石墨烯包裹的MnGeO_3复合物的制备及电化学性能研究47-56
• 4.1 引言47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 MnGeO_3/G-16复合材料的制备47-48
• 4.2.2 负极极片的制备、结构表征及电化学性能测试48
• 4.3 结果与讨论48-55
• 4.3.1 固相法所制备的 MnGeO_3及 MnGeO_3/G-16 的物相分析48-49
• 4.3.2 MnGeO_3/G-16复合物的热重分析49-50
• 4.3.3 MnGeO_3/G-16的电镜图50
• 4.3.4 MnGeO_3/G-16的X射线光电子能谱分析50-51
• 4.3.5 MnGeO_3/G-16的红外光谱（FT-IR）分析51-52
• 4.3.6 MnGeO_3及不同含量的MnGeO_3/graphene复合物的电性能分析52-55
• 4.3.6.1 循环性能及倍率性能分析52-53
• 4.3.6.2 循环伏安曲线及充放电机理分析53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 石墨烯覆盖、碳胶囊包覆的CoSnO_3复合材料的制备及电化学性能研究56-66
• 5.1 引言56
• 5.2 实验部分56-57
• 5.2.1 共沉淀法制备CoSn(OH)_6/石墨烯复合物56-57
• 5.2.2 CoSnG-C的制备57
• 5.2.3 CoSnG-C的制备57
• 5.2.4 负极极片的制备、结构表征及电性能测试57
• 5.3 结果与讨论57-65
• 5.3.1 水热法合成CoSn(OH)_6/graphene、CoSnG、CoSnG-C的物相分析-X射线衍射谱峰57-58
• 5.3.2 石墨烯及热解碳在 CoSnG 及 CoSnG-C 的热重分析58-59
• 5.3.3 CoSnG 及 CoSnG-C 的微观结构分析—透射电镜图59-60
• 5.3.4 X 射线光电子能谱分析60-61
• 5.3.5 CoSnG-C红外光谱（FT-IR）分析61
• 5.3.6 CoSnG-C的电化学性能分析61-63
• 5.3.7 不同石墨烯及热解碳含量的锡酸钴的电化学循环性能的比较63-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 结论与展望66-67
• 6.1 本论文结论66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-77
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果77-78
• 致谢78-79
• 答辩委员会对论文的评定意见79

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