石墨烯基高性能锂电材料结构设计与界面调控

发布时间：2018-04-22 20:21

  本文选题：石墨烯 + 金属氧化物　； 参考：《大连理工大学》2016年博士论文

【摘要】：锂离子电池由于具有较高的能量密度与功率密度且无记忆效应等特点而备受关注,在便携式电子设备等领域已经得到了广泛应用,然而,目前锂电材料作为动力电池难以满足电动汽车长续航与快速充放电的要求,因此研制高性能锂电材料具有重要的科学意义与实用价值。本论文基于高比容量电化学物质(金属氧化物或硫)与二维石墨烯构筑高性能电极材料,主要针对金属氧化物结构稳定性差及硫正极的穿梭效应,提出纳米结构设计与界面调控并重的科学理念,发展了石墨烯/CoO复合气凝胶无粘结剂负极、空心金属氧化物强耦合石墨烯复合负极、石墨烯/SnO2/聚苯胺三明治复合负极以及功能化石墨烯/硫正极、石墨烯基碳/S/聚吡咯三明治复合正极。主要研究内容如下：可压缩石墨烯/CoO复合气凝胶无粘结剂电极的创制。以氧化石墨烯(GO)为原料,吡咯为辅助剂,通过水热自组装-冷冻干燥-热处理策略制备石墨烯组装体负载均匀生长的CoO纳米线或海胆型CoO纳米球,两者可直接压缩成无粘结剂电极,100次循环测试后仍展现出550 mAh g-1以上的比容量,优于CoO粉末电极电化学性能。研究表明CoO纳米线在石墨烯组装体表面均匀负载并形成强复合界面,可显著改善电极的锂电性能。石墨烯强耦合空心金属氧化物高性能电极的创制。结合晶体控制生长、炭热还原、和Kirkendall效应等基本原理,成功开发了聚吡咯烷酮-硝酸盐涂覆GO、炭化还原以及低温氧化的技术路线,可普适制备多种过渡金属氧化物(MO)空心纳米结构与石墨烯的复合结构(h-MO@C@G),如 h-Fe2O3@C@G、h-Co3O4@C@G和h-NiOx@C@G。通过PVP的用量可实现对MO空心纳米结构尺寸大小和二维大孔结构的精细调控。金属氧化物空心纳米结构以及其与石墨烯的强复合界面协同提高了复合物的结构稳定性,因此所制备的h-MO@C@G电极均可显示15Ag-1电流密度下比容量高于300 mAh g"1的高倍率性能。石墨烯/Sn02/聚苯胺三明治复合负极的构筑。通过Sn2+还原GO实现SnO2在石墨烯表面上的原位生成与锚定,在植酸辅助下实现SnO2纳米颗粒的聚苯胺(Pani)包覆。Sn02纳米颗粒尺寸均匀且相互隔离,聚苯胺涂层厚度可控。所得DF-SnO2/G@Pani三明治的片状结构有利于电解液的扩散,缩短锂离子的传输路径,Sn02纳米颗粒埋覆在导电高分子层和石墨烯中间,大大提高SnO2的导电性与结构稳定性,Pani包覆层有利于形成稳定的SEI膜,因此所得DF-SnO2/G@Pani电极表现出高达700 mAh g-1的比容量(接近SnO2理论比容量),在2000 mA g-1电流密度下比容量高于200 mAh g-1的倍率性能,以及700次的长循环寿命。功能化石墨烯用于高性能锂硫电池。开发了一种通过低温水热将乙二胺功能化石墨烯(EFG)表面的方法,通过液相氧化还原反应负载硫,熔融扩散得到硫涂覆的EFG复合物(EFG-S),试验表征和理论计算结果表明EFG可实现对硫及放电产物硫化锂的强吸附,同时石墨烯的物理限制作用及良好的机械性能均有利于EFG-S电极结构稳定。350次循环后保持650 mAh g-1的高比容量,对应于80%的比容量保持率。石墨烯基碳/硫/聚吡咯三明治复合正极的构筑。以GO为前躯体通过纳米铸造、硫熔融扩散和聚吡咯(PPy)涂覆的路线成功将硫封装在聚吡咯和石墨烯基介孔碳片(GCS@PPy)之间,三明治式GCS@PPy保持了石墨烯的二维片状结构,有利于提高硫的利用率和电解液的扩散,同时PPy、石墨烯和介孔碳均可有效提高硫的导电性,并缓冲硫在充放电过程中的体积变化,从而有利于电极的结构稳定,所得GCS@PPy电极可展现出高达935 mAh g-1的首放电比容量,400次循环测试中每圈容量衰减率仅为0.05%,4 C电流密度下430 mAh g-1的高倍率性能。
[Abstract]:A high - performance electrode material is prepared by using graphene oxide ( GO ) as raw material and pyrrole as auxiliary agent . Sulfur melt diffusion and PPy coating successfully encapsulate the sulfur in the polyazole and graphene mesoporous carbon sheet ( GCS @ PPy ) . The sandwich GCS @ PPy keeps the two - dimensional sheet structure of the graphene , which is beneficial to improving the sulfur utilization rate and the diffusion of the electrolyte , and simultaneously , PPy , graphene and mesoporous carbon can effectively improve the conductivity of the sulfur and buffer the volume change of the sulfur in the charge and discharge process , thereby facilitating the structure stability of the electrode , and the obtained GCS @ PPy electrode can exhibit the first discharge specific capacity of up to 935 mAh g - 1 , and the capacity attenuation rate of the obtained GCS @ PPy electrode is only 0.05 % and the high rate performance of 430 mAh g - 1 at 4 C current density .

【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
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本文编号：1788759