發(fā)布時間：2020-04-29 17:52

【摘要】：在移動通訊高速發(fā)展的時代,我們的生活越來越依賴手機、手提電腦和充電寶等電子設(shè)備的使用,這很大程度上歸因于鋰離子電池的發(fā)展。鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度大和工作壽命長等優(yōu)點,然后目前常用的鋰離子電池負極采用的是石墨,其理論容量僅達到372mAh/g,難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的應(yīng)用需求。在可替代的負極材料中,過渡金屬氧化物中的銅基材料,由于資源豐富、價格低廉、可大批量生產(chǎn)、較高可逆容量和優(yōu)秀循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢,逐步進入人們的視野。本文采用了新穎原位復(fù)合LAPN和噴霧干燥結(jié)合的方法,分別制備了類石墨烯包覆氧化亞銅微米粒子(GCU)、類石墨烯包覆銅氧化物微米粒子(GCO)和鈷摻雜類石墨烯包覆銅氧化物微米粒子(OGCO)三種復(fù)合材料,這三種材料應(yīng)用在鋰離子電池負極中均展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。本論文的主要工作如下:(1)類石墨烯包覆氧化亞銅微米粒子(GCU)的制備:以水為分散劑,將工業(yè)氧化銅(CuO)和實驗室研制的液態(tài)聚丙烯腈(LPAN)(質(zhì)量比22%)進行原位復(fù)合,經(jīng)噴霧干燥后,在N_2氣氛下低溫?zé)Y(jié),得到核殼結(jié)構(gòu)的GCU。本實驗通過探討放置不同時間長度下材料的XRD變化結(jié)果發(fā)現(xiàn),其衍射峰基本沒有變化,證明其可以在空氣中穩(wěn)定存在。進一步探討低溫?zé)Y(jié)溫度對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響,通過結(jié)合分析TG,XRD,XPS,SEM,TEM,電化學(xué)性能等測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在320℃條件下燒結(jié)可以得到純相的GCU。另外實驗還探究了在熱化學(xué)過程中添加不同比例LPAN對還原Cu~(2+)的影響發(fā)現(xiàn),在一定添加量的范圍內(nèi),通過控制溫度,可以制備出不同碳含量的純相GCU材料。(2)針對GCU材料直接低溫?zé)Y(jié),其包覆材料碳化程度低從而導(dǎo)致電化學(xué)性能不佳,本實驗進一步對復(fù)合材料(GCU)在1400℃氮氣氛條件下進行碳化處理,然后再在不同溫度的空氣氛條件下,對其進一步氧化,成功制備出核殼結(jié)構(gòu)的類石墨烯包覆銅氧化物復(fù)合材料(GCO)。本文主要探討了制備過程過不同氧化溫度對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過分析XRD和XPS結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同條件下制備的復(fù)合材料均為CuO和Cu_2O的復(fù)合物。通過對比材料的SEM圖像發(fā)現(xiàn),所有的材料都為微米級球狀顆粒,且在460℃條件下制備的材料表面的為完美的多孔隙結(jié)構(gòu)。通過對比材料的電化學(xué)性能發(fā)現(xiàn)在460℃條件下氧化得到的GCO首次放電比容量為826.0mAh/g,并且,放電比容量由第2圈的336.6mAh/g逐漸遞增到第200圈的497.2mAh/g,平均每個循環(huán)增加0.8mAh/g。材料在經(jīng)過長期循環(huán)后,容量出現(xiàn)上升可能是循環(huán)過程中鋰氧化物的可逆形成與分解所帶來的,同時,石墨烯基碳殼的復(fù)合作用,也可以促進鋰氧化物的可逆形成/分解和電解質(zhì)的反應(yīng)。(3)本章在前面實驗的基礎(chǔ)上進一步探究在材料制備過程中摻雜不同比例Co元素對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過噴霧后摻雜Co(CH_3COO)_2,然后再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后氧化,得到鈷摻雜類石墨烯包覆銅氧化物微米粒子(OGCO)。通過對材料的XRD,SEM和TEM結(jié)果綜合分析發(fā)現(xiàn),摻雜的Co元素在燒結(jié)氧化過程中完美與復(fù)合材料結(jié)合到一起。通過對比不同比例條件下制備的Co摻雜材料的電化學(xué)性能發(fā)現(xiàn),Cu:Co=5:5條件下制備的材料,在50mA/g的電流密度下,循環(huán)100圈后,仍保有555.6mAh/g的可逆容量,相比其他條件有很大提升。這可能是合適的摻雜比例,不同元素氧化物之間形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多組份協(xié)同效應(yīng),石墨烯殼結(jié)構(gòu)可以提高電極材料的導(dǎo)電性和抑制殼內(nèi)金屬材料的體積膨脹,使得材料的電化學(xué)性能有了很大提升。
【圖文】：

圖 1-1 鋰離子電池充放電過程機理示意圖Fig.1-1 Diagram of Lithium-ion battery charging and discharging process mechanism電極化學(xué)反應(yīng)如下[19]：LiCoO2Li1-xCoO2dischargechargexLi+xe-+ +6CxLi+LixC6xe-+++dischargechargeLi1-xCoO2LixC6LiCoO26Cdischargecharge+子電池的組成學(xué)單元是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的最小器件單元[20]。一個電池可以是多個電以是單個電池單元。所有的電化學(xué)單元都有兩個不同的電極和電解液構(gòu)成

圖 1-2 紐扣式電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1-2 Diagram of Button cell structure電池的性能一般包括容量、能量密度、功率、循環(huán)壽命和放電曲線[24]。能量電池性能的一個重要參數(shù)，，是指材料的單位體積或單位質(zhì)量中所蘊含的能量池必須是有著較長的循環(huán)壽命，既在多次充放電循環(huán)后，還保持著較多的容極材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是鋰離子電池循環(huán)壽命的一個關(guān)鍵因素，在電池首次充放電循環(huán)后，電極與電解質(zhì)界面會形成一層新的膜層——固面膜（SEI 膜），會有不可逆容量的損失。 正極材料正極材料的特性要求：1、能可逆地嵌入和脫出大量的鋰離子，并且具有電勢平臺，使得充放電過
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB333;TM912

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;原位電熱法焊接石墨烯宏觀組裝材料[J];山東陶瓷;2019年02期

2 申婧文;王素敏;王奇觀;;高導(dǎo)電石墨烯的化學(xué)制備及其性能研究[J];精細化工中間體;2019年02期

3 方婧;高曉紅;吳海培;孫靜;;石墨烯與氧化石墨烯在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用[J];棉紡織技術(shù);2019年06期

4 馬睿;高汝林;鄭春華;;基于數(shù)學(xué)建模的石墨烯/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱膨脹特性研究[J];合成材料老化與應(yīng)用;2019年03期

5 謝昕辰;;石墨烯使用中存在的問題及其發(fā)展趨勢[J];河南建材;2019年03期

6 ;半導(dǎo)體所等在多層石墨烯物理性質(zhì)研究方面取得新進展[J];中國粉體工業(yè);2012年02期

7 錢伯章;;石墨烯材料制備技術(shù)及應(yīng)用研究進展[J];石油和化工節(jié)能;2016年01期

8 ;天奈科技開發(fā)出碳納米管與石墨烯復(fù)合鋰電池助導(dǎo)劑[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

9 ;廣西大學(xué)破解石墨烯制備難題 可大批量生產(chǎn)粉體材料[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

10 ;德陽將打造“中國西部石墨烯產(chǎn)業(yè)先導(dǎo)基地”[J];中國粉體工業(yè);2016年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 王慶國;張煒;王凱;王莎莎;;石墨烯在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用展望[A];第十八屆中國科協(xié)年會——分2 中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇論文集[C];2016年

2 劉東;李麗波;由天艷;;電化學(xué)制備氮摻雜石墨烯及其在催化氧氣還原反應(yīng)中的應(yīng)用[A];第十三屆全國電分析化學(xué)學(xué)術(shù)會議會議論文摘要集[C];2017年

3 王瑩;劉子順;;通過缺陷設(shè)計實現(xiàn)石墨烯的自發(fā)卷起和組裝[A];2018年全國固體力學(xué)學(xué)術(shù)會議摘要集（上）[C];2018年

4 高超;方波;;石墨烯宏觀組裝及多功能復(fù)合材料[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

5 李永軍;楊陽;戴靜;黃曉宇;;功能化石墨烯、氟化石墨烯及石墨烷的制備[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題O：共價骨架高分子與二維高分子[C];2017年

6 梁秀敏;江雷;程群峰;;仿生石墨烯纖維研究進展[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

7 方浩明;白樹林;;三維石墨烯填充高導(dǎo)熱彈性體[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題M：高分子共混與復(fù)合體系[C];2017年

8 許亮;鄒聰;董鑒銳;張興權(quán);羅銘;左明明;曹振興;;氧化石墨烯涂層的制備及其性能表征[A];中國化學(xué)會2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報告會摘要集——主題K：高性能高分子[C];2017年

9 張學(xué)薇;徐晨;汪洋;尹少騫;王韞璐;趙沛;王宏濤;;石墨烯轉(zhuǎn)移方法[A];中國力學(xué)大會-2017暨慶祝中國力學(xué)學(xué)會成立60周年大會論文集（A）[C];2017年

10 汪洋;程昱;王韞璐;張帥;徐晨;張學(xué)薇;尹少騫;應(yīng)林煒;宋也男;李群仰;趙沛;王宏濤;;石墨烯的制備及力學(xué)性質(zhì)研究[A];中國力學(xué)大會-2017暨慶祝中國力學(xué)學(xué)會成立60周年大會論文集（A）[C];2017年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 本報記者 王彥彬;石墨烯將怎樣改變通信？[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2016年

2 本報記者 鄭苗苗;未來能源館：石墨烯助力綠色取暖[N];大同日報;2019年

3 本報記者 胡海林;當(dāng)?shù)責(zé)峁苡錾鲜N];遼寧日報;2019年

4 艾班;石墨烯生物材料制備成功[N];中國化工報;2014年

5 柯偉;石墨烯基礎(chǔ)應(yīng)用研究獲新進展[N];科學(xué)時報;2011年

6 記者 姜小毛;首個純石墨烯粉末產(chǎn)品誕生[N];中國化工報;2013年

7 劉平昌 唐娟;國內(nèi)首條石墨烯薄膜生產(chǎn)線投產(chǎn)[N];中國化工報;2013年

8 記者 李東周;石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟成立[N];中國化工報;2013年

9 特約記者 姚耀富;江蘇成立石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟[N];中國化工報;2013年

10 朱永康;全球石墨烯市場高速增長[N];中國化工報;2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 高照東方;納米材料類流體/石墨烯復(fù)合氣凝膠的制備、結(jié)構(gòu)與超級電容器性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

2 楊雁冰;碳基介孔功能復(fù)合材料的可控合成及性能研究[D];武漢大學(xué);2017年

3 王超;石墨烯超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)中的Andreev反射的研究[D];河北師范大學(xué);2019年

4 張斌;石墨烯/電磁功能化有機微球輕質(zhì)吸波材料的制備與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

5 寇宗魁;氯選擇性刻蝕碳化物構(gòu)筑多功能納米電極材料[D];武漢理工大學(xué);2017年

6 田仁兵;石墨烯量子點的制備、表征和反應(yīng)機理研究[D];南京理工大學(xué);2018年

7 陳生輝;復(fù)合材料內(nèi)石墨烯的分布及其對力學(xué)性能影響的分子模擬[D];中國石油大學(xué)(華東);2017年

8 王敏;TiO_2/石墨烯復(fù)合物界面調(diào)控與N/S摻雜改性研究[D];安徽大學(xué);2019年

9 黃琨;硅基石墨烯的制備及其光電器件性能調(diào)控[D];浙江大學(xué);2019年

10 朱永超;金屬石墨烯復(fù)合薄膜制備的分子動力學(xué)模擬研究[D];鄭州大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 陳雅菲;超支化聚乙烯-g-聚甲基丙烯酸甲酯共聚物的合成及其在石墨烯制備中的應(yīng)用[D];浙江工業(yè)大學(xué);2019年

2 蔣勤勤;雙核酞菁及其與石墨烯復(fù)合物對鋰/亞硫酰氯電池催化性能的研究[D];西北大學(xué);2015年

3 林雙;高密度石墨烯電化學(xué)儲能材料[D];武漢大學(xué);2017年

4 侯培鑫;高品質(zhì)氧化石墨烯的制備及其磷、硅元素阻燃改性的研究[D];廈門大學(xué);2017年

5 邵志恒;磷氮改性石墨烯及石墨基阻燃劑在環(huán)氧樹脂阻燃與防火材料中的應(yīng)用[D];廈門大學(xué);2017年

6 李秀婷;六方氮化硼/石墨烯異質(zhì)薄膜的可控制備研究[D];廈門大學(xué);2017年

7 王琳;石墨烯/納米金屬/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備[D];黑龍江大學(xué);2016年

8 孫將;界面調(diào)制對ZnCoO/2D復(fù)合材料的性能影響[D];武漢大學(xué);2017年

9 王歲艷;過渡金屬氧化物/石墨烯復(fù)合材料的制備及其儲鋰性能研究[D];蘭州大學(xué);2015年

10 姚靜文;石墨烯鹵氧鉍基復(fù)合材料的制備及可見光催化性能[D];河北師范大學(xué);2019年

本文編號：2644837