【摘要】：鋰離子電池(LIBs)具有高能量密度、長壽命、無記憶效應(yīng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品(如智能手機(jī),筆記本電腦,智能眼鏡等)和電動汽車等領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。然而,商品鋰離子電池石墨負(fù)極的容量僅為372 mAh g~(-1),已經(jīng)無法滿足快速發(fā)展的電動運(yùn)輸工業(yè)的要求以及人們對具有高能量和高功率密度的鋰離子電池的迫切需求。因此,必須開發(fā)用于LIBs的新型高容量負(fù)極材料。作為一種重要的可替代負(fù)極材料,鍺(Ge)在過去幾年中因其高理論容量(1600 mAh g~(-1))以及良好的電子傳導(dǎo)率和Li~+擴(kuò)散性而受到廣泛關(guān)注。然而,鍺基負(fù)極在充放電過程中通常會受到巨大體積變化(超過230%)的影響,導(dǎo)致活性物質(zhì)的嚴(yán)重粉碎和剝落,從而引起快速的容量衰減。本論文使用較為廉價的二氧化鍺(GeO_2)作為鍺源,引入具有良好導(dǎo)電性和高比表面積的還原氧化石墨烯(RGO)等碳材料,通過簡單的加熱回流、固相合成和熱處理等方法,制備了各種不同形貌和結(jié)構(gòu)的鍺基復(fù)合材料;運(yùn)用XRD、SEM、TEM、Raman光譜、XPS、BET等各種手段對合成產(chǎn)物進(jìn)行了系統(tǒng)的表征,探討了材料的形成機(jī)理;運(yùn)用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等方法研究了材料的電化學(xué)儲鋰性能,探討了復(fù)合材料尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)及RGO的含量等因素對電化學(xué)性能的影響,探究了電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.采用原位生長輔以熱處理的方法,使用GeO_2作為鍺源,通過聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)輔助合成高度均勻的Ge/RGO復(fù)合材料。通過改變RGO的負(fù)載量制備不同的Ge/RGO復(fù)合材料,并對其進(jìn)行儲鋰性能研究。由于Ge納米顆粒(約5 nm)的均勻分布和RGO納米片的高導(dǎo)電性,與純鍺相比,Ge/RGO復(fù)合負(fù)極材料在比容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出了顯著增強(qiáng)的電化學(xué)性能。Ge/RGO復(fù)合材料在0.2 A g~(-1)下循環(huán)100次后仍具有960mAh g~(-1)的高可逆容量,并在5 A g~(-1)大電流密度下具有631 mAh g~(-1)的優(yōu)異倍率性能。此外,當(dāng)與商用LiFePO_4正極配合使用時,其組裝的全電池在比容量和循環(huán)穩(wěn)定性方面也顯示出良好的電化學(xué)性能。2.采用加熱回流和熱處理法,將具有中空結(jié)構(gòu)的鍺酸鋅棒原位且均勻地負(fù)載在石墨烯片的表面上,合成了中空鍺酸鋅/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。通過改變?nèi)芤簆H值分別制備出了具有中空結(jié)構(gòu)的鍺酸鋅微米棒/還原氧化石墨烯(m-Zn_2GeO_4/RGO)和鍺酸鋅納米棒/還原氧化石墨烯(Zn_2GeO_4/RGO)復(fù)合材料,并且調(diào)節(jié)RGO的負(fù)載量對兩種復(fù)合材料進(jìn)行電化學(xué)儲鋰性能的研究。與m-Zn_2GeO_4/RGO相比,Zn_2GeO_4/RGO復(fù)合納米材料表現(xiàn)出了更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。Zn_2GeO_4/RGO電極在500 mA g~(-1)下循環(huán)110次后仍表現(xiàn)出了高放電比容量(1005 mAh g~(-1)),并且在1 A g~(-1)下循環(huán)500次后容量仍保持在661 mAh g~(-1)。此外,Zn_2GeO_4/RGO復(fù)合材料還顯示出優(yōu)異的倍率性能(在5 A g~(-1)下為515 mAh g~(-1))。Zn_2GeO_4/RGO優(yōu)異的電化學(xué)性能主要得益于具有中空結(jié)構(gòu)的Zn_2GeO_4納米棒,及其與具有大比表面積且高導(dǎo)電性RGO片之間的協(xié)同效應(yīng)。這種具有良好長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異倍率性能的Zn_2GeO_4/RGO復(fù)合負(fù)極材料有望應(yīng)用于發(fā)展新一代高性能鋰離子電池。3.采用固相合成和熱還原法,分別使用2-甲基咪唑和對苯二甲酸作為有機(jī)配體,成功地將Ge/C顆粒原位且高度均勻的分布在RGO片上,制備了兩種不同的Ge/C/RGO復(fù)合材料。電化學(xué)性能測試表明:與使用對苯二甲酸作為配體制備得到的Ge/C/RGO復(fù)合材料相比,使用2-甲基咪唑作為配體制備得到的Ge/C/RGO復(fù)合材料展現(xiàn)出了較高的首次庫倫效率(80.9%),更加優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這歸功于相對較高Ge含量、RGO載體的高電導(dǎo)率和大比表面積、及ZIF-8衍生的富氮多孔碳層。碳材料在有機(jī)電解質(zhì)中具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性并且有利于形成均勻的SEI膜,從而提高電極材料的首次庫倫效率和改善電池的電化學(xué)性能。在200 mAh g~(-1)電流密度下循環(huán)500次后,Ge/C/RGO電極的可逆放電比容量保持在600 mAh g~(-1),且在3 A g~(-1)大電流密度下表現(xiàn)出良好的倍率性能(429 mAh g~(-1))。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

江 蘇 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文材料，LiCoO2為正極材料，電解液為溶于 E mol/L 的 LiPF6溶液為例，其充放電反應(yīng)式如oO2Li1-xCoO2+ x Li++ xe-+ x Li++ x e-LixCnLiCoO2+ CnLi1-xCoO2+ LixCn充電放電充電放電充電放電

材料的納米化同維度的納米材料，包括納米線，納米顆粒和納米管注和應(yīng)用。這些納米材料展現(xiàn)出了較高的儲鋰容量歸功于其納米化尺寸和多孔結(jié)構(gòu)有利增大電極材料短 Li+的擴(kuò)散路徑。是一種環(huán)境友好且零維度的納米材料，可以和一些u 等人[47]采用了簡單的鎂熱還原方法，在 400 ℃下的勻的鍺納米顆粒。所制備的 Ge 納米顆粒具有高容一種有希望應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極材料。如圖 1

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本文編號：2716336