沥青基石墨烯微片的制备、结构及性能研究

论文摘要

本文在分析石墨烯微片的制备、应用研究及有关锂离子电池负极材料的基础上,以中间相沥青低温炭化产物为前驱体,采用高温真空热解法制备石墨烯微片,研究了石墨烯微片的制备工艺、结构与性能之间的关系,并探讨了中间相沥青的热解行为。采用XRD、FT-IR、TGA研究了中间相沥青的热解行为。研究表明：随着炭化温度的升高,中间相沥青的晶面间距先减小后增大,微晶高度在500℃以后呈现逐渐变小,在800℃时获得了较为完整的石墨微晶片层结构；随着炭化温度的升高,前期中间相沥青分子中含有的内部基团和杂原子发生脱出,碳骨架进行重排,后期苯环指纹区的振动吸收峰逐渐减弱；随着升温速率的增加,中间相沥青的起始分解温度和热解终止温度增加,残炭率降低；通过TGA分析建立了中间相沥青的热解动力学模型,较好地揭示中间相沥青的热解过程。采用XRD、FESEM、TEM、N2吸附-脱附和Raman光谱等分析手段对石墨烯微片进行了表征,研究了制备工艺对石墨烯微片结构的影响。研究表明：石墨烯微片前驱体高温处理时首先形成由纳米级石墨薄片连接的开放网络,然后形成具有良好透光性并且具有褶皱的层叠结构。这种石墨烯微片是由10～15层具有较高晶体结构的石墨烯片层组成,其BET比表面积为14.24-33.53m2/g；石墨烯微片的最优化制备工艺为：炭化温度1800℃、真空度700Pa、升温速率20℃/mmin、超声功率400W。通过电化学性能测试研究了石墨烯微片作为锂离子电池负极材料的性能。研究表明：随着炭化温度的的升高,石墨烯微片的首次充放电比容量增加,不可逆容量增加,首次库伦效率降低；随着超声功率的增大,石墨烯微片的首次不可逆容量变大,库伦效率降低；经过高温炭化后石墨烯微片的石墨化程度高,层片数较少,层间距较大,内部的层片状结构牢固,充放电循环过程不会出现层状剥落的现象,经过20次循环后,库伦效率保持在93%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 石墨烯材料的简介
• 1.2.1 石墨烯材料的制备方法
• 1.2.2 石墨烯材料的主要性质
• 1.2.3 石墨烯材料的应用
• 1.3 中间相沥青的种类、性质与炭化行为
• 1.3.1 中间相沥青的组成与结构
• 1.3.2 中间相沥青的性质
• 1.3.3 中间相沥青的炭化行为
• 1.4 锂离子二次电池
• 1.4.1 锂离子二次电池的工作原理
• 1.4.2 锂离子二次电池负极炭材料
• 1.4.3 锂离子二次电池负极炭材料的嵌锂机理
• 1.5 研究意义及内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 引言
• 2.2 实验原料、试剂及仪器
• 2.2.1 主要原料
• 2.2.2 化学试剂及药品
• 2.2.3 仪器设备
• 2.3 实验内容
• 2.3.1 石墨烯微片前驱体的制备
• 2.3.2 石墨烯微片的制备
• 2.3.3 锂离子电池的组装
• 2.4 表征与测试方法
• 2.4.1 傅立叶红外（FT-IR）分析
• 2.4.2 热失重（TGA）分析
• 2.4.3 X-射线衍射（XRD）分析
• 2.4.4 场发射扫描电镜（FESEM）分析
• 2.4.5 透射电子显微镜（TEM）分析
• 2.4.6 拉曼光谱（RAMAN）分析
• 2.4.7 比表面积分析
• 2.5 实验电池的电化学测试
• 2.6 本章小结
• 第三章 石墨烯微片前驱体的制备及性能
• 3.1 前言
• 3.2 实验
• 3.2.1 石墨烯微片前驱体的制备
• 3.2.2 分析测试
• 3.3 石墨烯微片前驱体的XRD分析
• 3.4 石墨烯微片前驱体的FT-IR分析
• 3.5 中间相沥青的热解行为
• 3.5.1 TG-DTG分析
• 3.5.2 动力学模型的建立
• 3.5.3 DSC分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 石墨烯微片的制备及表征
• 4.1 前言
• 4.2 实验与表征
• 4.2.1 石墨烯微片的制备
• 4.2.2 分析测试
• 4.3 制备工艺对石墨烯微片结构的影响
• 4.3.1 炭化温度对石墨烯微片结构的影响
• 4.3.1.1 石墨烯微片的XRD分析
• 4.3.1.2 石墨烯微片的TEM分析
• 4.3.2 升温速率对石墨烯微片结构的影响
• 4.3.2.1 石墨烯微片的XRD分析
• 4.3.2.2 石墨烯微片的TEM分析
• 4.3.3 真空度对石墨烯微片结构的影响
• 4.3.3.1 石墨烯微片的XRD分析
• 4.3.3.2 石墨烯微片的TEM分析
• 4.3.4 超声功率对石墨烯微片结构的影响
• 4.3.4.1 石墨烯微片的XRD分析
• 4.3.3.2 石墨烯微片的TEM分析
• 4.4 石墨烯微片的红外分析
• 4.5 石墨烯微片的FESEM分析
• 4.6 石墨烯微片的拉曼分析
• 4.7 石墨烯微片的比表面积分析
• 4.8 石墨烯微片的剥离机理分析
• 4.8.1 墨烯微片剥离过程FESEM分析
• 4.8.2 石墨烯微片形成机理
• 4.9 本章小结
• 第五章 沥青基石墨烯微片的电化学性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 原料
• 5.2.2 分析测试
• 5.3 沥青基石墨烯微片的电化学性能
• 5.3.1 不同炭化温度下的沥青基石墨烯微片的首次充放电性能
• 5.3.2 不同炭化温度下的沥青基石墨烯微片的循环性能
• 5.3.3 不同超声功率下的沥青基石墨烯微片的电化学性能
• 5.4 石墨烯微片的高电流密度电化学性能
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文