本文選題：石墨烯 + 金屬氧化物��； 參考：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：鋰離子電池由于具有較高的能量密度與功率密度且無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)而備受關(guān)注,在便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,然而,目前鋰電材料作為動力電池難以滿足電動汽車長續(xù)航與快速充放電的要求,因此研制高性能鋰電材料具有重要的科學(xué)意義與實(shí)用價值。本論文基于高比容量電化學(xué)物質(zhì)(金屬氧化物或硫)與二維石墨烯構(gòu)筑高性能電極材料,主要針對金屬氧化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差及硫正極的穿梭效應(yīng),提出納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面調(diào)控并重的科學(xué)理念,發(fā)展了石墨烯/CoO復(fù)合氣凝膠無粘結(jié)劑負(fù)極、空心金屬氧化物強(qiáng)耦合石墨烯復(fù)合負(fù)極、石墨烯/SnO2/聚苯胺三明治復(fù)合負(fù)極以及功能化石墨烯/硫正極、石墨烯基碳/S/聚吡咯三明治復(fù)合正極。主要研究內(nèi)容如下：可壓縮石墨烯/CoO復(fù)合氣凝膠無粘結(jié)劑電極的創(chuàng)制。以氧化石墨烯(GO)為原料,吡咯為輔助劑,通過水熱自組裝-冷凍干燥-熱處理策略制備石墨烯組裝體負(fù)載均勻生長的CoO納米線或海膽型CoO納米球,兩者可直接壓縮成無粘結(jié)劑電極,100次循環(huán)測試后仍展現(xiàn)出550 mAh g-1以上的比容量,優(yōu)于CoO粉末電極電化學(xué)性能。研究表明CoO納米線在石墨烯組裝體表面均勻負(fù)載并形成強(qiáng)復(fù)合界面,可顯著改善電極的鋰電性能。石墨烯強(qiáng)耦合空心金屬氧化物高性能電極的創(chuàng)制。結(jié)合晶體控制生長、炭熱還原、和Kirkendall效應(yīng)等基本原理,成功開發(fā)了聚吡咯烷酮-硝酸鹽涂覆GO、炭化還原以及低溫氧化的技術(shù)路線,可普適制備多種過渡金屬氧化物(MO)空心納米結(jié)構(gòu)與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)(h-MO@C@G),如 h-Fe2O3@C@G、h-Co3O4@C@G和h-NiOx@C@G。通過PVP的用量可實(shí)現(xiàn)對MO空心納米結(jié)構(gòu)尺寸大小和二維大孔結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。金屬氧化物空心納米結(jié)構(gòu)以及其與石墨烯的強(qiáng)復(fù)合界面協(xié)同提高了復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因此所制備的h-MO@C@G電極均可顯示15Ag-1電流密度下比容量高于300 mAh g"1的高倍率性能。石墨烯/Sn02/聚苯胺三明治復(fù)合負(fù)極的構(gòu)筑。通過Sn2+還原GO實(shí)現(xiàn)SnO2在石墨烯表面上的原位生成與錨定,在植酸輔助下實(shí)現(xiàn)SnO2納米顆粒的聚苯胺(Pani)包覆。Sn02納米顆粒尺寸均勻且相互隔離,聚苯胺涂層厚度可控。所得DF-SnO2/G@Pani三明治的片狀結(jié)構(gòu)有利于電解液的擴(kuò)散,縮短鋰離子的傳輸路徑,Sn02納米顆粒埋覆在導(dǎo)電高分子層和石墨烯中間,大大提高SnO2的導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,Pani包覆層有利于形成穩(wěn)定的SEI膜,因此所得DF-SnO2/G@Pani電極表現(xiàn)出高達(dá)700 mAh g-1的比容量(接近SnO2理論比容量),在2000 mA g-1電流密度下比容量高于200 mAh g-1的倍率性能,以及700次的長循環(huán)壽命。功能化石墨烯用于高性能鋰硫電池。開發(fā)了一種通過低溫水熱將乙二胺功能化石墨烯(EFG)表面的方法,通過液相氧化還原反應(yīng)負(fù)載硫,熔融擴(kuò)散得到硫涂覆的EFG復(fù)合物(EFG-S),試驗(yàn)表征和理論計算結(jié)果表明EFG可實(shí)現(xiàn)對硫及放電產(chǎn)物硫化鋰的強(qiáng)吸附,同時石墨烯的物理限制作用及良好的機(jī)械性能均有利于EFG-S電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。350次循環(huán)后保持650 mAh g-1的高比容量,對應(yīng)于80%的比容量保持率。石墨烯基碳/硫/聚吡咯三明治復(fù)合正極的構(gòu)筑。以GO為前軀體通過納米鑄造、硫熔融擴(kuò)散和聚吡咯(PPy)涂覆的路線成功將硫封裝在聚吡咯和石墨烯基介孔碳片(GCS@PPy)之間,三明治式GCS@PPy保持了石墨烯的二維片狀結(jié)構(gòu),有利于提高硫的利用率和電解液的擴(kuò)散,同時PPy、石墨烯和介孔碳均可有效提高硫的導(dǎo)電性,并緩沖硫在充放電過程中的體積變化,從而有利于電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所得GCS@PPy電極可展現(xiàn)出高達(dá)935 mAh g-1的首放電比容量,400次循環(huán)測試中每圈容量衰減率僅為0.05%,4 C電流密度下430 mAh g-1的高倍率性能。
[Abstract]:A high - performance electrode material is prepared by using graphene oxide ( GO ) as raw material and pyrrole as auxiliary agent . Sulfur melt diffusion and PPy coating successfully encapsulate the sulfur in the polyazole and graphene mesoporous carbon sheet ( GCS @ PPy ) . The sandwich GCS @ PPy keeps the two - dimensional sheet structure of the graphene , which is beneficial to improving the sulfur utilization rate and the diffusion of the electrolyte , and simultaneously , PPy , graphene and mesoporous carbon can effectively improve the conductivity of the sulfur and buffer the volume change of the sulfur in the charge and discharge process , thereby facilitating the structure stability of the electrode , and the obtained GCS @ PPy electrode can exhibit the first discharge specific capacity of up to 935 mAh g - 1 , and the capacity attenuation rate of the obtained GCS @ PPy electrode is only 0.05 % and the high rate performance of 430 mAh g - 1 at 4 C current density .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM912
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本文編號：1788759