本文關(guān)鍵詞：基于石墨烯的高性能鋰離子電池負極材料的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華南理工大學(xué)》 2014年

基于石墨烯的高性能鋰離子電池負極材料的研究

蔡丹丹  

【摘要】：鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長且無記憶效應(yīng)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中。近幾年，電動設(shè)備的發(fā)展對鋰離子電池的功率密度和能量密度提出了更高的要求，而電極材料是鋰離子電池性能提高的決定性因素。在負極材料方面，目前商業(yè)化的鋰離子電池負極材料石墨理論容量(372mAh g-1)偏低，限制了鋰離子電池電化學(xué)性能的提高，因此設(shè)計和制備高性能鋰離子電池負極材料是滿足鋰離子電池向電動設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵因素。新型碳材料石墨烯由于具有超高的導(dǎo)電性、超大的比表面積和穩(wěn)定的機械性能等諸多特性展現(xiàn)出各種潛在應(yīng)用價值，是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。本文以石墨烯基材料為研究對象，以提高鋰離子電池的比容量、循環(huán)性能和倍率性能為目的，設(shè)計合成了系列高性能的石墨烯基鋰離子電池負極材料。具體的研究內(nèi)容如下： (1)采用無表面活性劑模板協(xié)助法設(shè)計合成了高性能的超薄壁石墨烯中空球。該石墨烯中空球具有超薄的壁厚(5nm)和較高的比表面積(248.3m2g-1)，同時在壁上存在孔徑以1.2nm和3.2nm為主的微孔和介孔結(jié)構(gòu)。該石墨烯中空球負極材料表現(xiàn)出優(yōu)越的倍率性能和循環(huán)性能，在5000mAg-1電流密度下，可逆比容量仍然可以保持在249.3mAhg-1；在電流密度為1000mA g-1條件下，，100次循環(huán)后，容量保持率高達97.1%。其優(yōu)越的電化學(xué)性能與石墨烯中空球高的比表面積、超薄的多孔殼結(jié)構(gòu)及球與球之間交聯(lián)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 (2)采用冷凍干燥技術(shù)作用于氧化石墨烯溶液，并通過后續(xù)熱還原得到高質(zhì)量的多孔石墨烯，并研究了冷凍干燥技術(shù)對石墨烯微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。研究表明制備的石墨烯具有微孔和介孔的多孔結(jié)構(gòu)、大的層間距(0.385nm)和高的比表面積(358.3m2g-1)。當(dāng)電流密度為100mA g-1時，這個石墨烯具有很高的可逆比容量(1132.9mAhg-1)。更加有趣的是，在1000mA g-1電流密度條件下，300次循環(huán)后這個石墨烯的比容量仍然為556.9mAh g-1，遠高于商業(yè)化石墨的理論比容量(372mAh g-1)。其高的可逆比容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性與冷凍干燥創(chuàng)造的石墨烯的穩(wěn)定多孔結(jié)構(gòu)、大層間距、高比表面積及低的電荷轉(zhuǎn)移電阻有關(guān)。 (3)以廉價的工業(yè)原料三聚氰胺為氮源，與熱膨脹石墨烯混合熱處理得到高氮含量的氮摻雜石墨烯并將其應(yīng)用于鋰離子電池中。氮摻雜石墨烯中的氮含量高達7.04atom%，且氮的存在形式以吡啶氮為主。在小電流密度50mA g-1條件下，氮摻雜石墨烯的首次可逆比容量高達1123mAh g-1。更加吸引人的是，在非常高的電流密度20A g-1下，氮摻雜石墨烯仍然表現(xiàn)出241mAh g-1的比容量是石墨烯的(112mAh g-1)二倍。和目前文獻報道的氮摻雜石墨烯相比，高氮含量的氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出更加優(yōu)越的電化學(xué)性能，說明相對更高含量氮的引入使得石墨烯具有更多的拓撲缺陷和更多能形成大π鍵的吡啶氮，進而增加了石墨烯的儲鋰活性位點。 (4)通過溫和的氣液界面反應(yīng)方法成功合成TiO2/石墨烯納米復(fù)合材料，并研究了其在不同電壓窗口(0.01-3.0V和1.0-3.0V)下的儲鋰性能。復(fù)合材料中TiO2晶型為銳鈦礦型，石墨烯的加入提高了TiO2納米顆粒的分散性和比表面積。TiO2/石墨烯納米復(fù)合材料在這兩種電壓窗口下都表現(xiàn)出比單獨二氧化鈦更加優(yōu)越的電化學(xué)性能。而且，這個復(fù)合材料在0.01-3.0V下表現(xiàn)出高的比容量(499mAh g-1)和優(yōu)越的倍率性能(3000mA g-1條件下，比容量為150mAh g-1)。其卓越的電化學(xué)性能歸因于石墨烯和TiO2納米顆粒的協(xié)同效應(yīng)，尤其是在0.01-3.0V下，復(fù)合材料中的石墨烯不僅能起到導(dǎo)電和分散的作用，而且還貢獻了部分儲鋰容量。 (5)借助于氣液界面方法設(shè)計合成了TiO2/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合材料，并研究了氮原子的引入對于石墨烯和TiO2納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明氮摻雜石墨烯能夠縮小TiO2納米顆粒尺寸范圍(8-13nm)，而同樣的方法得到的石墨烯和TiO2納米復(fù)合材料中的TiO2納米顆粒尺寸范圍為10-15nm。而且氮摻雜可以改善復(fù)合材料的電化學(xué)性能。例如TiO2/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合材料在1000mAh g-1電流密度下，80次循環(huán)之后得到可逆比容量為136mAh g-1。在5000mAg-1的大電流密度下，仍能表現(xiàn)出高的比容量(109mAh g-1)，遠高于TiO2/石墨烯復(fù)合材料(90mAh g-1)和TiO2納米顆粒(23mAh g-1)。交流阻抗分析表明TiO2/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合材料具有低的電阻率和電荷轉(zhuǎn)移電阻。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ127.11;TM912
【目錄】：

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