本文關(guān)鍵詞：石墨烯基金屬氧化物的儲鋰性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鋰離子電池作為一種有效的電化學(xué)存儲裝置,已廣泛應(yīng)用于人類的日常工作生活中,如各種便攜式電子設(shè)備、電動自行車、電動汽車等。與傳統(tǒng)電池相比,鋰離子電池能量密度(120-170Wh kg-1)高、壽命長、安全系數(shù)也相對較高。然而,要單獨在一些大功率的驅(qū)動裝置(如電動汽車)或一些需要快速充電的電子設(shè)備上使用,其功率密度還較低,難以滿足需求。因此,同時實現(xiàn)高功率、高能量密度和快速充電仍然是發(fā)展鋰離子電池的一個偉大工程和艱難挑戰(zhàn)。鋰離子電池的工作原理是在充電/放電過程中鋰離子在電極/電解質(zhì)界面的可逆嵌入和脫出,這在很大程度上依賴于電極材料的快速動力學(xué),包括法拉第電阻、鋰離子的傳輸速率、導(dǎo)電性等。因此,提升電極材料物理化學(xué)性能對鋰離子電池的發(fā)展尤為關(guān)鍵,建立大功率鋰離子電池的關(guān)鍵是開發(fā)具有高導(dǎo)電率和大比表面積的新材料或設(shè)計良好的納米結(jié)構(gòu)以縮短鋰離子的遷移長度。石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電性、機械柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和巨大的比表面積,因此是非常具有潛力的候選材料。在此基礎(chǔ)上,本論文主要對以下幾個方面的內(nèi)容進行了研究:1.概述鋰離子電池的發(fā)展歷程、工作原理、產(chǎn)品特點、組成結(jié)構(gòu)、電極材料的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點,比較了目前研究較多的幾種負極材料。單一的金屬氧化物在循環(huán)過程中體積膨脹較大,易發(fā)生粉化現(xiàn)象,導(dǎo)致電極材料與集流體之間接觸不良,影響其循環(huán)穩(wěn)定性能。利用石墨烯納米復(fù)合物的協(xié)同效應(yīng),可以有效的提升電極的物理化學(xué)性能,從而提升鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。2.詳細描述了測試鋰離子電池的物理、電化學(xué)性能的實驗方法和儀器設(shè)備。3.利用一步水熱法制備了生長在鈦片上的花狀鉬酸鋅(ZnMoO4)、碳復(fù)合的鉬酸鋅(ZnMo O4/C)和石墨烯鉬酸鋅復(fù)合物(ZnMoO4/G)。通過XRD和SEM表征,證實所得鉬酸鋅是三斜晶系,且均是由納米棒組成的花狀結(jié)構(gòu)。對比研究了三種材料的儲鋰性能,ZnMo O4/G、ZnMoO4/C和ZnMoO4的第一圈放電比容量分別是2398mAh g-1、1970mAh g-1、1864mAh g-1。在恒流充放電測試中,ZnMoO4/G的倍率性能均優(yōu)于ZnMoO4和ZnMoO4/C,且ZnMoO4/G循環(huán)110圈后放電比容量仍能達到649mAh g-1,而ZnMoO4、ZnMoO4/C分別只有283mAh g-1和359mAh g-1,由此可以看出,石墨烯的加入明顯提高了ZnMoO4的循環(huán)穩(wěn)定性。借助交流阻抗技術(shù)分析其性能增強機理,證實在復(fù)合石墨烯以后,電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小,鋰離子擴散系數(shù)增大,因此提高了電極材料的電導(dǎo)率,進而有利于鋰離子的遷移,提高其儲鋰性能。此外,與傳統(tǒng)電極材料涂覆工藝相比,直接生長在鈦片上的電極不僅大量簡化了電池組裝工藝,更有利于實際應(yīng)用,而且在很大程度上提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。4.利用簡單的一步水熱法成功制備SnO_2納米空心球,并借助APTS修飾空心球表面,成功制備了還原氧化石墨烯包覆的SnO_2納米空心球(SnO_2-G)。通過XRD、SEM和TEM等表征發(fā)現(xiàn),所得產(chǎn)物均是正方金紅石結(jié)構(gòu)的SnO_2,微觀形貌呈中空球狀,尺寸在300-500nm之間,成球均勻。還原氧化石墨烯包覆后仍呈中空球狀,尺寸并未發(fā)生較大變化,且其表面不平整,有一些紋理和褶皺,邊緣具有一層碳結(jié)構(gòu)。對比研究了SnO_2和SnO_2-G的儲鋰性能,發(fā)現(xiàn)SnO_2-G在1A g-1電流密度下循環(huán)70圈后放電比容量仍能達到585mAh g-1,而SnO_2的放電比容量只有306mAh g-1。借助交流阻抗測試技術(shù)分析其性能提升機理,結(jié)果表明SnO_2-G的電荷轉(zhuǎn)移阻抗(74.69Ω)小于SnO_2的電荷轉(zhuǎn)移阻抗(113.1Ω),證明還原氧化石墨烯的復(fù)合不僅減小了固液界面的電荷轉(zhuǎn)移阻抗,而且還提高了鋰離子的擴散速率,進而增強了材料的儲鋰性能。論文研究結(jié)果表明,通過石墨烯修飾、復(fù)合和組裝,可從化學(xué)組成和物理結(jié)構(gòu)兩方面改善電極材料的電化學(xué)性能,提高其導(dǎo)電性和鋰離子遷移速率。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 負極材料 石墨烯 ZnMoO_4 SnO_2
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM912
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第1章 緒論11-31
• 1.1 引言11
• 1.2 鋰離子電池概述11-21
• 1.2.1 鋰離子電池發(fā)展歷程11-12
• 1.2.2 鋰離子電池的工作原理12-13
• 1.2.3 鋰離子電池的特點13-14
• 1.2.4 鋰離子電池正極材料14-15
• 1.2.5 鋰離子電池負極材料15-21
• 1.3 石墨烯及石墨烯基復(fù)合材料儲鋰性能研究概況21-29
• 1.3.1 石墨烯的發(fā)展及性質(zhì)21-23
• 1.3.2 石墨烯的制備方法23-26
• 1.3.3 石墨烯基復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用26-29
• 1.4 論文立題依據(jù)和主要研究內(nèi)容29-31
• 1.4.1 立題依據(jù)29
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容29-31
• 第2章 實驗方法31-37
• 2.1 主要試劑31
• 2.2 主要儀器31-32
• 2.3 材料物理性能表征32-34
• 2.3.1 X-射線粉末衍射儀(XRD)32
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡(SEM & FESEM)32-33
• 2.3.3 透射電子顯微鏡(TEM)33
• 2.3.4 熱重分析(TGA)33
• 2.3.5 X-射線光電能譜儀(XPS)33-34
• 2.4 材料電化學(xué)性能表征34-37
• 2.4.1 電極的制備34
• 2.4.2 模擬電池的裝配34
• 2.4.3 電化學(xué)性能測試34-37
• 第3章 自組裝花狀鉬酸鋅/石墨烯復(fù)合物儲鋰性能研究37-45
• 3.1 引言37-38
• 3.2 材料制備與表征38-39
• 3.2.1 材料制備38
• 3.2.2 材料的物理性質(zhì)表征38
• 3.2.3 材料的電化學(xué)性能表征38-39
• 3.3 結(jié)果與討論39-44
• 3.3.1 物理性質(zhì)分析39-41
• 3.3.2 電化學(xué)性能分析41-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第4章 還原氧化石墨烯包覆SnO_2納米球儲鋰性能研究45-57
• 4.1 引言45-46
• 4.2 材料制備與表征46-47
• 4.2.1 材料制備46
• 4.2.2 材料的物理性質(zhì)表征46
• 4.2.3 材料的電化學(xué)性能表征46-47
• 4.3 結(jié)果與討論47-54
• 4.3.1 物理性質(zhì)分析47-51
• 4.3.2 電化學(xué)性能分析51-54
• 4.4 本章小結(jié)54-57
• 第5章 結(jié)論與展望57-59
• 5.1 結(jié)論57
• 5.2 展望57-59
• 參考文獻59-77
• 致謝77-79
• 碩士期間科研成果79

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