锂离子电池中石墨烯基复合负极材料制备与表征

论文摘要

锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长等优点,在电动汽车、移动通讯设备电源、储能等各领域中得到了越来越广泛的应用。目前商业化应用的石墨负极材料比容量较低（约330mAh/g）,已不能满足高比能量电池的需求,因此,开发新型高容量锂离子电池负极材料迫在眉睫。石墨烯是石墨的单层或10层以内的分子层状结构,结构不易被破坏,具有很好的机械性能和优异的导电性能,在电化学材料行业受到广泛的关注,其运用于锂离子电池负极材料的报道也逐渐增多。本论文制备了石墨烯和Co（OH）2的复合材料,对其作为锂离子电池负极材料展开了相应的研究。本文论述了氧化石墨及石墨烯（GNS）的制备方法,通过强氧化剂对石墨进行氧化,并利用水合肼在水热条件下进行还原,得到片状堆积、相对致密的石墨烯。以200mA/g的电流密度对石墨烯进行循环性能测试,得到首次嵌锂容量1472.3mAh/g,首次库伦效率为25.6%,循环充放电50圈后嵌锂容量为228.3mAh/g。数据表明,石墨烯单独作为锂离子电池负极材料的循环性能不理想。在此基础上掺入适当的材料进行复合改性,利用水热法制备了GNS/Co（OH）2复合材料。通过对制备GNS/Co（OH）2复合材料工艺条件中的关键因素进行考察,得出最优合成工艺为氧化石墨浓度0.375mg/ml、pH为10在150℃水热5小时。采用XRD、TEM等测试手段分析了石墨烯及各复合材料的微观结构和表面形貌,并通过循环伏安（CV）、恒流充放电、非原位X射线衍射（ex-situ XRD）等技术测试了各材料的电化学性能并初步探索石墨烯与Co（OH）2复合材料充放电机理,得到首次质量比容量为1519.8mAh/g、库伦效率70.3% ,并且具有良好循环稳定性的锂离子电池负极材料GNS/Co（OH）2。焙烧GNS/Co（OH）2复合材料进而得到GNS/CoO,对其进行了结构与形貌的表征以及电化学性能测试,发现该材料的电化学性能不佳,作用机理也不甚明显,有待进一步改进。综上所述,GNS/Co（OH）2复合材料已经在锂离子电池负极材料的应用中显现出良好的应用前景,通过对其机理及制备工艺的进一步研究,有望得到一种廉价且性能优异的电极材料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池工作原理
• 1.2.2 锂离子电池的优缺点
• 1.3 锂离子电池负极材料研究现状
• 1.3.1 碳素类材料
• 1.3.2 合金类材料
• 1.3.3 过渡金属氧化物
• 1.3.4 锂离子氮化物
• 1.3.5 硅基类负极材料
• 1.4 石墨烯基负极材料研究现状
• 1.4.1 石墨烯制备方法
• 1.4.2 石墨烯与金属复合材料研究现状
• 1.4.3 石墨烯与金属氧化物复合材料研究现状
• 1.5 本课题研究的意义和主要内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验药品及仪器设备
• 2.1.1 药品及试剂
• 2.1.2 实验仪器与设备
• 2.2 制备工艺
• 2.2.1 石墨烯的制备
• 2.2.2 石墨烯/氢氧化钴复合材料的制备
• 2.2.3 石墨烯/氧化亚钴复合材料的制备
• 2.3 材料物理结构的表征
• 2.3.1 X 射线粉末衍射（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.4 拉曼光谱（Raman）
• 2.4 电化学性能的表征
• 2.4.1 实验电池的组装
• 2.4.2 恒电流充放电测试
• 2.4.3 循环伏安测试
• 第三章 石墨烯的制备以及表征
• 3.1 石墨烯物理结构表征
• 3.1.1 扫描电镜照片（SEM）
• 3.1.2 透射电镜照片（TEM）
• 3.1.3 X 射线衍射图谱（XRD）
• 3.2 石墨烯电化学性能表征
• 3.2.1 石墨烯材料的循环伏安测试
• 3.2.2 石墨烯材料的恒流充放电测试
• 3.2.3 石墨烯材料的循环性能测试
• 3.3 本章小结
• 第四章 GNS/Co（OH）2复合材料的制备与表征
• 4.1 GNS/Co（OH）2 复合材料的制备工艺研究
• 4.1.1 水热法制备复合材料反应条件的选择
• 4.1.2 常压下制备复合材料反应条件的选择
• 4.1.3 两种方法最优条件下制备的复合材料性能比较
• 4.2 GNS/Co（OH）2 复合材料物理结构表征
• 4.2.1 X 射线衍射谱图（XRD）
• 4.2.2 透射电镜照片（TEM）
• 4.2.3 拉曼谱图（Raman）
• 4.3 GNS/Co（OH）2 复合材料的电化学性能表征
• 4.3.1 循环伏安曲线
• 4.3.2 充放电曲线
• 4.3.3 循环性能测试
• 4.3.4 大倍率循环性能测试
• 4.4 机理的探索
• 4.5 本章小结
• 第五章GNS/CoO 复合材料的制备与表征
• 5.1 材料的物理性能表征
• 5.1.1 X 射线衍射谱图（XRD）
• 5.1.2 透射电镜照片（TEM）
• 5.2 材料的电化学性能表征
• 5.2.1 循环伏安曲线（CV）
• 5.2.2 充放电曲线
• 5.2.3 循环性能曲线
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究构想
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表或已录用的学术论文
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书