石墨烯基二维纳米复合材料的锂电性能研究

论文摘要

本文主要针对目前锂离子蓄电池存储容量和循环稳定性偏低等问题,提出了引进新型阳极纳米复合材料的方法来改善上述问题。即运用水热法和湿化学方法制备石墨烯（graphene）基二维纳米复合材料,在保证金属氧化物较高存储容量的同时,发挥石墨烯的结构特性以提高复合材料的循环稳定性,从而实现高存储容量和高循环稳定性的锂离子蓄电池。本文主要研究三种材料来说明石墨烯的结构和化学特性以及石墨烯基二维纳米复合材料的优越锂电性能。第一种是单纯石墨烯纳米片材料。本文通过水热法合成具有统一片状结构且厚度较薄的石墨烯纳米片材料。由于石墨烯具有良好的结构及电化学特性,其锂电性能要优越于传统的石墨材料。同时其较大的比表面积和较高的电化学活性使其成为了制备二维纳米复合材料的最佳选择之一。第二种是Sn02/碳族纳米复合材料。本文运用湿化学方法分别合成了不同的Sn02/碳族纳米复合材料,其中碳族纳米材料包括石墨烯（GNSs）、多壁碳纳米管（MWCNTs）、单壁碳纳米管（SWCNTs）和碳球（CNSs）, SnO2纳米颗粒均匀包覆在碳族纳米材料表面形成了统一均匀的纳米复合材料。通过比较不同碳族纳米材料的锂电特性,其中石墨烯基二维纳米复合材料具有较高的存储容量同时也具有较高的循环稳定性。之所以会有这种特性不仅与Sn02高存储容量有关,更重要的是与石墨烯的大比表面积、良好的结构延展性和较快的载流子输运速度有关。进一步说明了石墨烯纳米材料具有比其他碳族纳米材料更加优越的结构性能和电化学特性。第三种是α-Fe2O3/graphene纳米复合材料。其中α-Fe2O3呈现棒状和颗粒状纳米结构,均匀包覆在石墨烯表面,其X射线衍射峰与标准卡片相一致并具有较好的结晶情况。α-Fe2O3/graphene纳米复合材料具有比单一a-Fe2O3更高的锂电特性,最后我们提出了四种机制来解释a-Fe2O3/graphene纳米复合材料的高锂电性能,证明了石墨烯基二维纳米复合材料可以实现高存储容量和高循环稳定性的锂离子蓄电池。纳米复合材料不仅在锂电领域具有重要应用,在气体传感领域也同样具有较高的科研价值。本文在最后研究了其它类型的纳米复合材料在气体传感领域的重要应用。我们运用简单的水热法合成出了Pd-ZnO纳米复合材料以及In2O3/α-Fe2O3纳米复合材料,两种纳米复合材料具有均匀统一的形貌。通过测量两种纳米复合材料的气体传感特性,发现它们均具备较高的气体传感性能。其中Pd-ZnO纳米复合材料是利用Pd与Zn0的肖特基接触对材料能带的影响以及金属Pd的催化作用来改善纳米复合材料的气体传感特性。而In2O3/α-Fe2O3纳米复合材料是利用两种材料之间的异质结构在特定条件下被改变,从而对材料电导率造成极大影响的气敏机理,来提高气体传感器的灵敏度。上述实验的成果极大地改善了目前气体传感器所存在的问题,实现了高性能的气体传感器。同时这两组实验从另一方面验证了纳米复合材料比单一材料具有更加优越的物理和化学特性。因此除了石墨烯基二维纳米复合材料在锂电领域存在重要应用之外,其他形式的纳米复合材料在某些其他领域同样存在重要的科研和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料与纳米科技
• 1.1.1 纳米材料的基本效应
• 1.1.2 纳米科技的研究现状
• 1.2 碳纳米材料的分类及性质
• 1.2.1 碳纳米材料的分类
• 1.2.2 碳纳米管的性质及应用
• 60的性质及应用'>1.2.3 C₆₀的性质及应用
• 1.2.4 石墨烯的性质及应用
• 1.3 碳纳米材料在锂离子蓄电池领域中的应用
• 1.3.1 锂离子蓄电池的结构与工作原理
• 1.3.2 碳纳米材料应用于锂离子蓄电池领域的发展现状
• 1.4 目前锂离子蓄电池所存在的技术问题
• 1.4.1 锂离子蓄电池所存在的问题和目前的解决方法
• 1.4.2 本文工作的研究思想
• 第2章 石墨烯二维纳米材料的锂电特性
• 2.1 石墨烯二维纳米材料的制备方法
• 2.2 石墨烯二维纳米材料的形貌表征
• 2.3 石墨烯二维纳米材料的锂电特性
• 2.3.1 钮扣型锂离子电池的装配
• 2.3.2 石墨烯纳米材料的锂电特性
• 2.4 本章小结
• 2/碳族纳米复合材料的锂电特性'>第3章 SnO₂/碳族纳米复合材料的锂电特性
• 2/碳族纳米复合材料的制备方法'>3.1 SnO₂/碳族纳米复合材料的制备方法
• 2/碳族纳米复合材料的结构及形貌表征'>3.2 SnO₂/碳族纳米复合材料的结构及形貌表征
• 2/碳族纳米复合材料的锂电特性'>3.3 SnO₂/碳族纳米复合材料的锂电特性
• 2/GNSs纳米复合材料的锂电特性'>3.3.1 SnO₂/GNSs纳米复合材料的锂电特性
• 2/MWCNTs纳米复合材料的锂电特性'>3.3.2 SnO₂/MWCNTs纳米复合材料的锂电特性
• 2/SWCNTs纳米复合材料的锂电特性'>3.3.3 SnO₂/SWCNTs纳米复合材料的锂电特性
• 2/CNSs纳米复合材料的锂电特性'>3.3.4 SnO₂/CNSs纳米复合材料的锂电特性
• 3.4 本章小结
• 2O₃/graphene二维纳米复合材料的锂电特性'>第4章 α-Fe₂O₃/graphene二维纳米复合材料的锂电特性
• 2O₃/graphene二维纳米复合材料的制备方法'>4.1 α-Fe₂O₃/graphene二维纳米复合材料的制备方法
• 20₃/graphene二维纳米复合材料的结构及形貌表征'>4.2 α-Fe₂0₃/graphene二维纳米复合材料的结构及形貌表征
• 2O₃/graphene二维纳米复合材料的锂电特性'>4.3 α-Fe₂O₃/graphene二维纳米复合材料的锂电特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 金属氧化物纳米复合材料气体传感特性的研究
• 5.1 Pd修饰ZnO纳米复合材料气体传感特性的研究
• 5.1.1 制备方法及表征结果
• 5.1.2 Pd修饰ZnO纳米花气体传感特性的研究
• 2O₃/α-Fe₂O₃纳米复合材料的气体传感特性研究'>5.2 In₂O₃/α-Fe₂O₃纳米复合材料的气体传感特性研究
• 5.2.1 制备方法及表征结果
• 2O₃/α-Fe₂O₃纳米复合材料的气体传感特性研究'>5.2.2 In₂O₃/α-Fe₂O₃纳米复合材料的气体传感特性研究
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著及获奖情况