本文關(guān)鍵詞： 高品質(zhì)石墨烯 石墨層間化合物 液相剝離法 石墨烯雜化材料 鋰離子電池 電極材料　出處：《北京化工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯具有優(yōu)異的電子傳輸性能、力學(xué)性能、傳導(dǎo)性能和吸附性能等。近年來,人們發(fā)現(xiàn)其在儲(chǔ)能領(lǐng)域,尤其是在鋰離子電池上有較好的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的石墨電極材料,石墨烯的高比表面積和共軛結(jié)構(gòu)有利于儲(chǔ)存更多鋰離子,獲得更大的儲(chǔ)鋰容量。不僅如此,將石墨烯與其它活性材料(如過渡金屬氧化物、硅基材料等)雜化,可以發(fā)揮兩者的協(xié)同作用,既能夠擁有穩(wěn)定的循環(huán)性能,又獲得較高的可逆比容量。雖然石墨烯的制備方法層出不窮,但大多難以兼顧高質(zhì)量產(chǎn)品與低制造成本,這也制約了石墨烯的應(yīng)用推廣。本文研究?jī)?nèi)容主要有兩方面:首先,研究高品質(zhì)石墨烯的制備方法,利用液相剝離法得到結(jié)構(gòu)規(guī)整的低缺陷石墨烯;其次,研究石墨烯雜化材料的合成,發(fā)展出有別于傳統(tǒng)水熱法、模板法、化學(xué)氣相沉積法的新雜化方法,所得產(chǎn)物具有良好的電化學(xué)性能,主要工作如下:(1)FeCl3-石墨烯雜化材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。以非氧化法制備的l階FeCl3基石墨層間化合物(FeCl3-GICs)為前驅(qū)體,將其在有機(jī)溶劑中超聲剝離來制備石墨烯和FeCl3-石墨烯(FeCl3-FLG)雜化材料。在石墨層間引入FeCl3,導(dǎo)致片層間距明顯增大,克服范德華力對(duì)片層的束縛,不僅利于石墨烯的剝離,而且在很大程度上減少晶格缺陷的產(chǎn)生。相同條件下,以天然鱗片石墨為前驅(qū)體剝離制備的石墨烯中只有32 %的片層厚度小于2 nm,而由1階FeCl3-GICs剝離制備的石墨烯,厚度幾乎均分布在1.0-2.0nm之間。同時(shí),通過控制剝離時(shí)間,便可制備出FeCl3-FLG雜化材料。當(dāng)用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),FeCl3-FLG雜化材料展現(xiàn)出較高的可逆容量,在10OmAg-1的電流密度下,比容量能夠達(dá)到1002 mAhg-1。在雜化材料體系中,少層石墨烯結(jié)構(gòu)可以抑制鋰離子嵌入和脫嵌過程中的引起的FeCl3體積膨脹,而且其較大的層間距,便于鋰離子擴(kuò)散。(2)高壓均質(zhì)法制備高品質(zhì)石墨烯研究。為提高石墨烯制備效率,我們以1階FeCl3-GICs為前驅(qū)體,采用具有規(guī)模化制備潛力的高壓均質(zhì)法剝離石墨烯,研究不同均質(zhì)壓力、均質(zhì)時(shí)間和初始分散液濃度對(duì)石墨烯剝離效果的影響。高壓均質(zhì)法具有效率高、可連續(xù)、易規(guī)�；瘧�(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),其在批量制備高品質(zhì)石墨烯上具有較大潛力。研究表明在120 MPa下循環(huán)50次后可以制得單層石墨烯,其平均厚度約為0.72 nm,且所制備的石墨烯片具有較高的結(jié)構(gòu)規(guī)整性和較低的結(jié)構(gòu)缺陷(ID/IG0.1),電導(dǎo)率能夠達(dá)到 3.7×104S m-1。(3)三明治結(jié)構(gòu)α-Fe203/石墨烯雜化材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。采用高壓均質(zhì)法,我們發(fā)展出一種快速簡(jiǎn)易制備石墨烯雜化材料的方法。以1階FeCl3-GICs為前驅(qū)體,通過控制高壓均質(zhì)時(shí)間可以制得FeCl3-FLG,將其在500 ℃下進(jìn)行熱處理,便得到α-Fe203/石墨烯雜化材料(Fe203/FLG)。該方法所制備的Fe203/FLG具有獨(dú)特的三明治結(jié)構(gòu),α-Fe203顆粒能夠較均勻地負(fù)載于少層石墨烯的表面和層間,可以有效避免團(tuán)聚,抑制α-Fe203在充放電過程中的體積膨脹和顆粒粉碎現(xiàn)象,另外高品質(zhì)石墨烯的高電導(dǎo)率可以提供高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),改善α-Fe203顆粒的傳導(dǎo)性能,縮短鋰離子的擴(kuò)散通道。值得注意的是,石墨烯和α-Fe203顆粒緊密接觸,不僅更利于電荷傳輸,還能保持較好的循環(huán)穩(wěn)定性。該雜化材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),在200 mAg-1的電流密度下循環(huán)350圈后,可逆容量能夠達(dá)到約110OmAhg-1。(4) CoCl2-FeCl3基三元石墨層間化合物及其衍生物在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。我們以CoCl2和FeCl3基三元石墨層間化合物用作鋰離子電池負(fù)極材料,發(fā)現(xiàn)其具有良好的循環(huán)性能,在200 mA g-1的電流密度下經(jīng)過400次充放電循環(huán),可逆容量依然能夠保持在1000 mA h g-1左右。然后,根據(jù)(3)中的實(shí)驗(yàn)方法,制備Co304-Fe203/石墨烯三元雜化材料,通過對(duì)反應(yīng)條件的探索得到性能最優(yōu)的產(chǎn)物,將其用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),在1000 mA g-1的電流密度下經(jīng)過300次充放電后,可逆容量能達(dá)到～700 mAh g-1。
[Abstract]:In recent years , the high specific surface area and the conjugated structure of graphene have been found to be better than those of traditional hydrothermal method , template method and chemical vapor deposition method . In order to improve the preparation efficiency of graphene , the high - pressure homogenization method was used to prepare the graphene hybrid material . The high - pressure homogenization method has the advantages of high structure regularity and low structure defect ( ID / IG0.1 ) . The high - quality graphene has high structure regularity and low structure defect ( ID / IG0.1 ) . ( 4 ) The application of the ternary graphite intercalation compounds and their derivatives in Li - ion batteries was studied . We found that the ternary hybrid materials of CoCl2 and FeCl3 were used as negative electrode materials for Li - ion batteries . The reversible capacity of CoCl2 - Fe203 / graphene ternary hybrid materials was still maintained at about 1000 mA / g - 1 .

【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ127.11;TM912

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本文編號(hào)：1545321