石墨烯復(fù)合材料用于高性能鋰（鈉）離子電池負極材料的研究.pdf

1、日益嚴重的能源危機和環(huán)境污染，迫使科學(xué)家尋找新型能源以替代傳統(tǒng)的化石能源。由于新型能源（如太陽能，風(fēng)能，潮汐能等）分布不均勻，利用難度大，通常先將其轉(zhuǎn)換成電能儲存并使用，因而對儲能電池的要求也越來越高。電化學(xué)儲能電池的發(fā)展經(jīng)過了鉛酸電池(Lead-Acid)，鎳鎘電池(Ni-Cd)，鋰一次電池(Li battery)，鎳氫電池(Ni-MH)，鈉硫電池(Na-S)，鋰離子電池(Li-ion)等階段。其中鋰離子電池作為新一代的電化學(xué)儲能電池

2、具有更加優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高工作電壓、高質(zhì)量能量密度、高體積能量密度、優(yōu)異的充放電循環(huán)性能、快速充放電性能、無記憶效應(yīng)、低污染、低自放電率等優(yōu)點。因此，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于如移動電話、筆記本電腦等便攜消費電子產(chǎn)品中。然而伴隨著鋰離子電池逐漸應(yīng)用于儲能電站以及電動汽車等領(lǐng)域，傳統(tǒng)鋰離子電池已經(jīng)很難滿足市場對電池能量密度和功率密度等的需求，因此尋找具有更高能量密度和功率密度的鋰離子電極材料迫在眉睫。除此之外，鋰礦資源的匱乏以及開采難度大

3、導(dǎo)致的鋰離子電池成本居高不下也在一定程度上限制了鋰離子電池的廣泛應(yīng)用。因此探索新的電化學(xué)儲能體系也成為當(dāng)前研究的重中之重。鈉離子電池由于具有和鋰離子電池類似的儲能機理，同樣具有包括高電壓，高能量密度，無記憶效應(yīng)等鋰離子電池的優(yōu)點。更加重要的是，鈉資源儲量豐富，開采容易，價格低廉，使得鈉離子電池具有更加廣泛的應(yīng)用前景。針對以上兩個方面，本論文深入研究了石墨烯及其復(fù)合材料在鋰離子電池和鈉離子電池中的應(yīng)用，制各了多種具有優(yōu)異儲鋰（鈉）的性能的

4、電極材料。
　　第一章，我們對鋰離子電池的工作原理，結(jié)構(gòu)組成及當(dāng)前正負極材料的研究進展進行了簡單介紹。通過對當(dāng)前研究熱點的概括和總結(jié)，提出了本文的研究思路和研究內(nèi)容。
　　第二章，我們首先簡要介紹了論文中所用到的藥品及相關(guān)儀器、電池制各流程、常用的材料表征方法以及電極材料的電化學(xué)表征方法等。
　　第三章，我們首先對石墨烯的研究進展進行了簡要介紹。針對當(dāng)前石墨烯材料用于鋰離子電池負極材料時由于團聚而導(dǎo)致較低的比容量和較差

5、的倍率性能，我們對石墨烯進行了氮原子摻雜和三維多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而制備了氮摻雜三維多孔石墨烯材料。當(dāng)用于鋰離子電池負極材料時，該材料具有高比容量、良好的循環(huán)性能（在100mA/g的電流密度下，經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，其提供了高達1094 mAh/g的充電比容量）和優(yōu)異的倍率性能（在2000mA/g的大電流密度下，其仍然提供了480 mAh/g的充電比容量）。
　　第四章，我們通過將犧牲模版法和靜電組裝方法相結(jié)合，再經(jīng)過在氨氣氣氛的

6、高溫?zé)崽幚?，成功制備了表面負載有氮摻雜二氧化鈦納米顆粒的氮摻雜三維多孔石墨烯復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有允許電解液浸潤的反蛋白石結(jié)構(gòu)并具有較高的電子導(dǎo)電性。二氧化鈦和石墨烯之間的緊密接觸抑制了加熱過程中二氧化鈦納米顆粒的生長和團聚，縮短了鋰離子的擴散路徑。此外，二氧化鈦和石墨烯基體中的氮摻雜可以顯著改善二氧化鈦顆粒表面和相鄰顆粒之間的電子傳導(dǎo)性。因此，當(dāng)用作鋰離子電池的負極材料時，該復(fù)合材料在100mA/g的電流密度下，經(jīng)過200次充放電循

7、環(huán)后，該復(fù)合材料提供了高達165mAh/g的充電比容量，且在高達1000mA/g的電流密度下，其仍然提供了114 mAh/g的充電比容量。這種將結(jié)構(gòu)設(shè)計和雜原子摻雜結(jié)合的方法可以擴展到制備其他電極材料中。
　　第五章，針對鋰離子電池錫基負極材料，本論文通過使用聚苯乙烯納米球作為模版，使用靜電組裝的方法成功制備了三維多孔石墨烯/二氧化錫復(fù)合材料。通過這種三維多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅充分緩解了二氧化錫在嵌鋰過程中的體積膨脹，而且提高了整個電

8、極的電子電導(dǎo)率，從而該復(fù)合材料具有優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。此外，還對該復(fù)合材料的儲鋰機理進行了研究。
　　第六章中我們首先對氧化石墨烯進行了表面電荷改性，再將四氯化錫原位的還原在氧化石墨烯的表面，由于柯肯達爾效應(yīng)的作用，金屬錫納米顆粒緩慢轉(zhuǎn)變成二氧化錫納米顆粒，從而制備了具有三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯/二氧化錫復(fù)合材料，并對其電化學(xué)儲鋰性能進行了研究。在100mA/g的電流密度下，經(jīng)過50次充放電循環(huán)后，該復(fù)合材料提供了高達1384mA

9、h/g的充電比容量，且在高達2000mA/g的電流密度下，其仍然提供了665mAh/g的充電比容量。此外，我們同樣研究了該復(fù)合材料的儲鋰機理。
　　第七章，針對鈉離子電池銻基負極材料，本論文通過將三氯化銻原位的還原在經(jīng)過表面電荷改性的氧化石墨烯上，經(jīng)過進一步熱處理后制備得到了具有三明治結(jié)構(gòu)的銻/石墨烯/銻復(fù)合材料，并對其電化學(xué)儲鈉性能進行了研究。當(dāng)作為鈉離子電池負極材料時，該復(fù)合材料在100mA/g的電流密度下，經(jīng)過200次充放電