石墨烯基金属氧化物的储锂性能研究

发布时间：2017-06-23 01:11

  本文关键词：石墨烯基金属氧化物的储锂性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子电池作为一种有效的电化学存储装置,已广泛应用于人类的日常工作生活中,如各种便携式电子设备、电动自行车、电动汽车等。与传统电池相比,锂离子电池能量密度(120-170Wh kg-1)高、寿命长、安全系数也相对较高。然而,要单独在一些大功率的驱动装置(如电动汽车)或一些需要快速充电的电子设备上使用,其功率密度还较低,难以满足需求。因此,同时实现高功率、高能量密度和快速充电仍然是发展锂离子电池的一个伟大工程和艰难挑战。锂离子电池的工作原理是在充电/放电过程中锂离子在电极/电解质界面的可逆嵌入和脱出,这在很大程度上依赖于电极材料的快速动力学,包括法拉第电阻、锂离子的传输速率、导电性等。因此,提升电极材料物理化学性能对锂离子电池的发展尤为关键,建立大功率锂离子电池的关键是开发具有高导电率和大比表面积的新材料或设计良好的纳米结构以缩短锂离子的迁移长度。石墨烯具有优越的导电性、机械柔韧性、化学稳定性和巨大的比表面积,因此是非常具有潜力的候选材料。在此基础上,本论文主要对以下几个方面的内容进行了研究:1.概述锂离子电池的发展历程、工作原理、产品特点、组成结构、电极材料的研究现状及优缺点,比较了目前研究较多的几种负极材料。单一的金属氧化物在循环过程中体积膨胀较大,易发生粉化现象,导致电极材料与集流体之间接触不良,影响其循环稳定性能。利用石墨烯纳米复合物的协同效应,可以有效的提升电极的物理化学性能,从而提升锂离子电池的循环稳定性和倍率性能。2.详细描述了测试锂离子电池的物理、电化学性能的实验方法和仪器设备。3.利用一步水热法制备了生长在钛片上的花状钼酸锌(ZnMoO4)、碳复合的钼酸锌(ZnMo O4/C)和石墨烯钼酸锌复合物(ZnMoO4/G)。通过XRD和SEM表征,证实所得钼酸锌是三斜晶系,且均是由纳米棒组成的花状结构。对比研究了三种材料的储锂性能,ZnMo O4/G、ZnMoO4/C和ZnMoO4的第一圈放电比容量分别是2398mAh g-1、1970mAh g-1、1864mAh g-1。在恒流充放电测试中,ZnMoO4/G的倍率性能均优于ZnMoO4和ZnMoO4/C,且ZnMoO4/G循环110圈后放电比容量仍能达到649mAh g-1,而ZnMoO4、ZnMoO4/C分别只有283mAh g-1和359mAh g-1,由此可以看出,石墨烯的加入明显提高了ZnMoO4的循环稳定性。借助交流阻抗技术分析其性能增强机理,证实在复合石墨烯以后,电荷转移阻抗减小,锂离子扩散系数增大,因此提高了电极材料的电导率,进而有利于锂离子的迁移,提高其储锂性能。此外,与传统电极材料涂覆工艺相比,直接生长在钛片上的电极不仅大量简化了电池组装工艺,更有利于实际应用,而且在很大程度上提高了电池的循环稳定性。4.利用简单的一步水热法成功制备SnO_2纳米空心球,并借助APTS修饰空心球表面,成功制备了还原氧化石墨烯包覆的SnO_2纳米空心球(SnO_2-G)。通过XRD、SEM和TEM等表征发现,所得产物均是正方金红石结构的SnO_2,微观形貌呈中空球状,尺寸在300-500nm之间,成球均匀。还原氧化石墨烯包覆后仍呈中空球状,尺寸并未发生较大变化,且其表面不平整,有一些纹理和褶皱,边缘具有一层碳结构。对比研究了SnO_2和SnO_2-G的储锂性能,发现SnO_2-G在1A g-1电流密度下循环70圈后放电比容量仍能达到585mAh g-1,而SnO_2的放电比容量只有306mAh g-1。借助交流阻抗测试技术分析其性能提升机理,结果表明SnO_2-G的电荷转移阻抗(74.69Ω)小于SnO_2的电荷转移阻抗(113.1Ω),证明还原氧化石墨烯的复合不仅减小了固液界面的电荷转移阻抗,而且还提高了锂离子的扩散速率,进而增强了材料的储锂性能。论文研究结果表明,通过石墨烯修饰、复合和组装,可从化学组成和物理结构两方面改善电极材料的电化学性能,提高其导电性和锂离子迁移速率。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 石墨烯 ZnMoO_4 SnO_2
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM912
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第1章 绪论11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 锂离子电池概述11-21
• 1.2.1 锂离子电池发展历程11-12
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理12-13
• 1.2.3 锂离子电池的特点13-14
• 1.2.4 锂离子电池正极材料14-15
• 1.2.5 锂离子电池负极材料15-21
• 1.3 石墨烯及石墨烯基复合材料储锂性能研究概况21-29
• 1.3.1 石墨烯的发展及性质21-23
• 1.3.2 石墨烯的制备方法23-26
• 1.3.3 石墨烯基复合材料在锂离子电池中的应用26-29
• 1.4 论文立题依据和主要研究内容29-31
• 1.4.1 立题依据29
• 1.4.2 主要研究内容29-31
• 第2章 实验方法31-37
• 2.1 主要试剂31
• 2.2 主要仪器31-32
• 2.3 材料物理性能表征32-34
• 2.3.1 X-射线粉末衍射仪(XRD)32
• 2.3.2 扫描电子显微镜(SEM & FESEM)32-33
• 2.3.3 透射电子显微镜(TEM)33
• 2.3.4 热重分析(TGA)33
• 2.3.5 X-射线光电能谱仪(XPS)33-34
• 2.4 材料电化学性能表征34-37
• 2.4.1 电极的制备34
• 2.4.2 模拟电池的装配34
• 2.4.3 电化学性能测试34-37
• 第3章 自组装花状钼酸锌/石墨烯复合物储锂性能研究37-45
• 3.1 引言37-38
• 3.2 材料制备与表征38-39
• 3.2.1 材料制备38
• 3.2.2 材料的物理性质表征38
• 3.2.3 材料的电化学性能表征38-39
• 3.3 结果与讨论39-44
• 3.3.1 物理性质分析39-41
• 3.3.2 电化学性能分析41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 还原氧化石墨烯包覆SnO_2纳米球储锂性能研究45-57
• 4.1 引言45-46
• 4.2 材料制备与表征46-47
• 4.2.1 材料制备46
• 4.2.2 材料的物理性质表征46
• 4.2.3 材料的电化学性能表征46-47
• 4.3 结果与讨论47-54
• 4.3.1 物理性质分析47-51
• 4.3.2 电化学性能分析51-54
• 4.4 本章小结54-57
• 第5章 结论与展望57-59
• 5.1 结论57
• 5.2 展望57-59
• 参考文献59-77
• 致谢77-79
• 硕士期间科研成果79

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