鋰離子電池(LIBs)作為一種最有前景的能量儲存裝置之一,已經(jīng)在電動汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而,石墨作為目前商用LIBs主要的負極材料依然存在比容量低、循環(huán)壽命短和安全性差等不足,不能滿足工業(yè)電動汽車所提出的高能量密度和大功率密度等需求。而負極材料是LIBs不可缺少的重要部件之一,因此選擇和制備高性能LIBs負極材料尤為關(guān)鍵。金屬氧化物及金屬硫化物由于高的理論比容量、低成本及環(huán)境友好等優(yōu)勢而成為最有潛力的可替代負極材料之一,但它們在充放電循環(huán)過程中依然存在一個大的體積改變和導(dǎo)電性差等缺陷,這大大限制了它們的商業(yè)應(yīng)用。石墨烯氣凝膠(GA)是近年來開發(fā)的一種新型3D碳材料,因其完美地將石墨烯優(yōu)異的物理、化學(xué)特性和氣凝膠固有的高孔隙率相結(jié)合而成為最受歡迎的導(dǎo)電碳基質(zhì)之一。將其與金屬氧化物、金屬硫化物復(fù)合,能明顯地改善整體材料的導(dǎo)電性、比表面積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,進而提高了整體材料的電化學(xué)性能。本文制備了幾種不同結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠基復(fù)合材料,并對它們的電化學(xué)性能進行了評估。具體工作內(nèi)容如下:(1)采用P123表面活性劑在混合溶劑中形成的層狀反膠束為生長模板,首先制備了雙相TiO_2,然后通過一個在氧化石墨烯(GO)和聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)改性TiO_2之間的靜電自組裝過程以及緊接著的一鍋水熱法和冷凍干燥技術(shù)制備了雙相TiO_2/GA復(fù)合物(TGAs)。使用X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、熱重分析(TGA)及N_2吸附-脫附(BET)等測試手段對最終樣品進行表征。結(jié)果表明,所制備的TGAs是一個包覆雙相(anatase/TiO_2(B))TiO_2的3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且雙相TiO_2實際上是一個由2D TiO_2納米片相互堆疊形成的3D聚集體。電化學(xué)測試表明TGAs電極比單獨雙相TiO_2電極表現(xiàn)出了一個更優(yōu)秀的電化學(xué)性能,特別是循環(huán)穩(wěn)定性(在電流密度100mA·g~(-1)下循環(huán)100圈,放電比容量仍保持200.8 mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大電流密度下,放電比容量仍達99.8 mA·h·g~(-1))。(2)利用碳球為模板制備了中空CoMn_2O_4納米球,使用硅烷偶聯(lián)劑APTES對其進行氨基改性。以改性CoMn_2O_4納米球和GO為原料,采用一步水熱法及隨后的冷凍干燥技術(shù)制備了中空CoMn_2O_4/GA復(fù)合物(ZGAs)。使用XRD、TEM、SEM及BET等測試手段對最終樣品進行表征。結(jié)果表明所制備的ZGAs樣品為一個包覆中空CoMn_2O_4納米球的3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且中空CoMn_2O_4球的平均粒徑約為200 nm。電化學(xué)測試表明ZGAs電極比中空CoMn_2O_4球電極表現(xiàn)出一個更優(yōu)秀的電化學(xué)性能,特別是循環(huán)穩(wěn)定性(在電流密度100 mA·g~(-1)下循環(huán)50圈,放電比容量仍保持966.8mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大電流密度下,放電比容量仍達754.7mA·h·g~(-1))。(3)采用兩步水熱法首先制備了NiCo_2S_4納米管,然后通過一個在GO和PDDA改性NiCo_2S_4納米管之間的靜電自組裝過程以及緊接著的水熱法和冷凍干燥技術(shù)制備了NiCo_2S_4納米管/GA復(fù)合物(NGAs)。使用XRD、SEM、TEM、HRTEM、TGA及BET等測試手段對最終樣品進行表征。結(jié)果表明所制備的NGAs樣品為一個包覆NiCo_2S_4納米管的3D多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),且NiCo_2S_4納米管的平均粒徑約為200 nm。電化學(xué)測試表明NGAs電極比NiCo_2S_4納米管電極表現(xiàn)出一個更優(yōu)秀的電化學(xué)性能,特別是循環(huán)穩(wěn)定性(在電流密度100 mA·g~(-1)下循環(huán)50圈,放電比容量仍保持967.5 mA·h·g~(-1))和倍率性能(在2000 mA·g~(-1)的大電流密度下,放電比容量仍達654.7 m A·h·g~(-1))。
【學(xué)位單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB33;TM912
【文章目錄】：
摘要
abstract
1 緒論
    1.1 鋰離子電池概況
        1.1.1 鋰離子電池的發(fā)展歷程
        1.1.2 鋰離子電池的組成及原理
        1.1.3 鋰離子電池的特點及應(yīng)用
    1.2 鋰離子電池負極材料概述
        1.2.1 鋰離子電池負極材料應(yīng)滿足的要求
        1.2.2 鋰離子電池負極材料的種類及發(fā)展歷程
    1.3 石墨烯氣凝膠概述
        1.3.1 石墨烯氣凝膠研究進展
        1.3.2 石墨烯氣凝膠的制備方法
        1.3.3 石墨烯氣凝膠基復(fù)合物在鋰離子電池中的研究
    1.4 本課題的研究內(nèi)容
2/GA復(fù)合物的制備及性能研究'>2 雙相TiO₂/GA復(fù)合物的制備及性能研究
    2.1 實驗部分
        2.1.1 原料和儀器
        2.1.2 樣品的合成
        2.1.3 樣品的表征
        2.1.4 電化學(xué)性能測試
    2.2 結(jié)果與討論
        2.2.1 XRD分析
        2.2.2 電鏡分析
        2.2.3 TGAs樣品的形成機理分析
        2.2.4 TGA分析
        2.2.5 比表面積及孔徑分析
        2.2.6 樣品的電化學(xué)性能分析
    2.3 本章小結(jié)
2O₄/GA復(fù)合物的制備及性能測試'>3 中空CoMn₂O₄/GA復(fù)合物的制備及性能測試
    3.1 實驗部分
        3.1.1 原料和儀器
        3.1.2 樣品的合成
        3.1.3 樣品的表征
        3.1.4 電化學(xué)性能測試
    3.2 結(jié)果與討論
        3.2.1 XRD分析
        3.2.2 電鏡分析
        3.2.3 ZGAs復(fù)合物樣品的形成過程分析
        3.2.4 比表面積及孔徑分析
        3.2.5 樣品的電化學(xué)性能分析
    3.3 本章小結(jié)
2S₄納米管/GA復(fù)合物的制備及性能研究'>4 NiCo₂S₄納米管/GA復(fù)合物的制備及性能研究
    4.1 實驗部分
        4.1.1 實驗所需藥品和儀器
        4.1.2 樣品的合成
        4.1.3 樣品的表征
        4.1.4 電化學(xué)性能測試
    4.2 結(jié)果與討論
        4.2.1 XRD分析
        4.2.2 電鏡分析
        4.2.3 NGAs樣品的形成過程分析
        4.2.4 TGA分析
        4.2.5 比表面積及孔徑分析
        4.2.6 樣品的電化學(xué)性能分析
    4.3 本章小結(jié)
5 結(jié)論與展望
參考文獻
攻讀碩士研究生期間取得的研究成果
致謝

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本文編號：2882052