石墨烯复合材料用于高性能锂（钠）离子电池负极材料的研究

发布时间：2018-02-02 04:26

本文关键词： 锂离子电池钠离子电池负极材料三维多孔结构三明治结构石墨烯复合材料二氧化锡　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：日益严重的能源危机和环境污染,迫使科学家寻找新型能源以替代传统的化石能源。由于新型能源(如太阳能,风能,潮汐能等)分布不均匀,利用难度大,通常先将其转换成电能储存并使用,因而对储能电池的要求也越来越高。电化学储能电池的发展经过了铅酸电池(Lead-Acid),镍镉电池(Ni-Cd),锂一次电池(Li battery),镍氢电池(Ni-MH),钠硫电池(Na-S),锂离子电池(Li-ion)等阶段。其中锂离子电池作为新一代的电化学储能电池具有更加优异的电化学性能,包括高工作电压、高质量能量密度、高体积能量密度、优异的充放电循环性能、快速充放电性能、无记忆效应、低污染、低自放电率等优点。因此,锂离子电池广泛应用于如移动电话、笔记本电脑等便携消费电子产品中。然而伴随着锂离子电池逐渐应用于储能电站以及电动汽车等领域,传统锂离子电池已经很难满足市场对电池能量密度和功率密度等的需求,因此寻找具有更高能量密度和功率密度的锂离子电极材料迫在眉睫。除此之外,锂矿资源的匮乏以及开采难度大导致的锂离子电池成本居高不下也在一定程度上限制了锂离子电池的广泛应用。因此探索新的电化学储能体系也成为当前研究的重中之重。钠离子电池由于具有和锂离子电池类似的储能机理,同样具有包括高电压,高能量密度,无记忆效应等锂离子电池的优点。更加重要的是,钠资源储量丰富,开采容易,价格低廉,使得钠离子电池具有更加广泛的应用前景。针对以上两个方面,本论文深入研究了石墨烯及其复合材料在锂离子电池和钠离子电池中的应用,制备了多种具有优异储锂(钠)的性能的电极材料。第一章,我们对锂离子电池的工作原理,结构组成及当前正负极材料的研究进展进行了简单介绍。通过对当前研究热点的概括和总结,提出了本文的研究思路和研究内容。第二章,我们首先简要介绍了论文中所用到的药品及相关仪器、电池制备流程、常用的材料表征方法以及电极材料的电化学表征方法等。第三章,我们首先对石墨烯的研究进展进行了简要介绍。针对当前石墨烯材料用于锂离子电池负极材料时由于团聚而导致较低的比容量和较差的倍率性能,我们对石墨烯进行了氮原子掺杂和三维多孔结构设计,从而制备了氮掺杂三维多孔石墨烯材料。当用于锂离子电池负极材料时,该材料具有高比容量、良好的循环性能(在100mA/g的电流密度下,经过100次充放电循环后,其提供了高达1094mAh/g的充电比容量)和优异的倍率性能(在2000mA/g的大电流密度下,其仍然提供了 480 mAh/g的充电比容量)。第四章,我们通过将牺牲模版法和静电组装方法相结合,再经过在氨气气氛的高温热处理,成功制备了表面负载有氮掺杂二氧化钛纳米颗粒的氮掺杂三维多孔石墨烯复合材料。该复合材料具有允许电解液浸润的反蛋白石结构并具有较高的电子导电性。二氧化钛和石墨烯之间的紧密接触抑制了加热过程中二氧化钛纳米颗粒的生长和团聚,缩短了锂离子的扩散路径。此外,二氧化钛和石墨烯基体中的氮掺杂可以显著改善二氧化钛颗粒表面和相邻颗粒之间的电子传导性。因此,当用作锂离子电池的负极材料时,该复合材料在100mA/g的电流密度下,经过200次充放电循环后,该复合材料提供了高达165mAh/g的充电比容量,且在高达1000mA/g的电流密度下,其仍然提供了 114mAh/g的充电比容量。这种将结构设计和杂原子掺杂结合的方法可以扩展到制备其他电极材料中。第五章,针对锂离子电池锡基负极材料,本论文通过使用聚苯乙烯纳米球作为模版,使用静电组装的方法成功制备了三维多孔石墨烯/二氧化锡复合材料。通过这种三维多孔结构设计,不仅充分缓解了二氧化锡在嵌锂过程中的体积膨胀,而且提高了整个电极的电子电导率,从而该复合材料具有优异的循环性能和倍率性能。此外,还对该复合材料的储锂机理进行了研究。第六章中我们首先对氧化石墨烯进行了表面电荷改性,再将四氯化锡原位的还原在氧化石墨烯的表面,由于柯肯达尔效应的作用,金属锡纳米颗粒缓慢转变成二氧化锡纳米颗粒,从而制备了具有三明治结构的石墨烯/二氧化锡复合材料,并对其电化学储锂性能进行了研究。在100mA/g的电流密度下,经过50次充放电循环后,该复合材料提供了高达1384 mAh/g的充电比容量,且在高达2000mA/g的电流密度下,其仍然提供了 665mAh/g的充电比容量。此外,我们同样研究了该复合材料的储锂机理。第七章,针对钠离子电池锑基负极材料,本论文通过将三氯化锑原位的还原在经过表面电荷改性的氧化石墨烯上,经过进一步热处理后制备得到了具有三明治结构的锑/石墨烯/锑复合材料,并对其电化学储钠性能进行了研究。当作为钠离子电池负极材料时,该复合材料在100mA/g的电流密度下,经过200次充放电循环后,提供了高达430mAh/g的充电比容量,且在高达5000mA/g的电流密度下,其仍然提供了 330mAh/g的比容量。在论文第八章,对博士期间的工作进行了简要概括和总结,并对未来的研究计划做了展望。
[Abstract]:Lithium - ion batteries are widely used in portable consumer electronic products such as mobile phones and notebook computers . When used in a lithium ion battery negative electrode material , the material has a high specific capacity , good cycle performance ( after 100 charge / discharge cycles at a current density of 100 mA / g , it provides a charge specific capacity of up to 1094mAh / g ) and excellent multiplying power performance ( at a high current density of 2000 mA / g , it still provides a charge specific capacity of 480 mAh / g ) . A three - dimensional porous graphene / tin dioxide composite with sandwich structure is prepared by using polystyrene nanometer sphere as template .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM912

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