球磨对石墨烯纳米片形态及电容性能影响研究

论文摘要

超级电容器是继锂离子电池之后的又一新型储能元件,近几年来逐渐成为新能源研究的热点。多孔碳材料由于具有较高的比表面积和稳定的化学性质而被广泛地用作超级电容器电极材料,但是由于其导电性较差、孔结构复杂等原因限制了其在超级电容器中的广泛应用。石墨烯作为一种单层的二维碳原子层,由于结构简单、导电性好、比表面积大而成为超级电容器电极材料的最佳选择之一本文以天然鳞片石墨和人造石墨为原料,通过氧化-热膨胀的方法制备出膨胀石墨,并在此基础上采用球磨法获得石墨烯纳米片,研究了石墨烯纳米片作为超级电容器电极材料的性能。对样品的形貌结构进行扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、氮吸附比表面积测试、傅立叶红外光谱和拉曼光谱测试。在质量浓度为30%的KOH水溶液中进行了电化学充放电测试、循环伏安和交流阻抗测试。研究表明,以不同原料制备的膨胀石墨都具有蠕虫状多孔结构,膨胀人造石墨的体积膨胀倍率远小于膨胀天然石墨,但其比表面积却高于后者,分别为524m2·g-1和358m2·g-1。在相同充放电条件下,膨胀人造石墨电极的比电容量比膨胀天然石墨电极高,在100mA·g-1的电流密度下分别达到196F·g-1和157F·g-1,但随着电流密度逐渐增大到2000mA·g-1,前者的容量保持率低于后者。球磨后膨胀石墨的蠕虫状结构遭到破坏,形成片层状结构,随着球磨时间延长,碳原子堆垛层数先减少后增加,球磨3h样品堆垛层数最少,电镜照片显示其结构为相互堆叠的石墨烯纳米片。球磨后,且随着球磨时间延长,样品的比电容量先增加后减少,球磨3h时比电容量达到最大值,在100mA·g-1的电流密度为211F·g-1,4h和6h样品比容量有所降低,分别为170F·g-1和167F·g-1,但仍明显高于膨胀石墨电极。具体的原因可以从石墨烯纳米片的简单结构易于电解液的扩散、球磨过程中产生的表面缺陷有利于电荷的聚集等方面分析。随着电流密度不断增大,石墨烯纳米片电极都表现出了良好的容量保持率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯
• 1.2.1 石墨烯的结构
• 1.2.2 石墨烯的特性
• 1.2.3 石墨烯制备
• 1.2.4 石墨烯的应用前景
• 1.3 超级电容器
• 1.3.1 超级电容器的分类
• 1.3.2 超级电容器的工作原理
• 1.3.3 超级电容器的应用前景
• 1.3.4 碳材料在双电层电容器中的应用
• 1.4 石墨烯在双电层电容器电极材料中的应用
• 1.5 选题的目的和意义
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂及设备
• 2.1.1 实验原料及试剂
• 2.1.2 超级电容器的制备材料
• 2.1.3 实验设备
• 2.2 实验样品的制备
• 2.2.1 氧化石墨的制备
• 2.2.2 膨胀石墨的制备
• 2.2.3 球磨法制备纳米石墨烯片层
• 2.3 电极以及电容器的制作
• 2.3.1 工作电极的制备
• 2.3.2 三电极体系电容器的装配
• 2.4 样品形貌结构的表征与测试
• 2.4.1 X射线衍射测试（XRD）
• 2.4.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.4 低温氮吸附测试分析
• 2.4.5 傅立叶变换红外光谱测试（FT IR）
• 2.4.6 拉曼光谱测试
• 2.5 样品的电化学测试
• 2.5.1 恒流充放电测试
• 2.5.2 循环伏安测试
• 2.5.3 交流阻抗测试
• 第三章 膨胀石墨的制备及其电化学性能研究
• 3.1 膨胀石墨结构表征
• 3.1.1 膨胀石墨的膨胀机理
• 3.1.2 膨胀石墨的膨胀倍率与比表面积
• 3.1.3 膨胀石墨的电子显微镜照片
• 3.1.4 膨胀石墨XRD测试分析
• 3.2 膨胀石墨的电化学性能
• 3.2.1 氧化剂的用量对样品比电容量的影响
• 3.2.2 充放电测试
• 3.2.3 循环伏安测试
• 3.3 不同原料膨胀石墨结构性能比较
• 3.3.1 不同原料膨胀石墨的结构对比
• 3.3.2 不同原料膨胀石墨的电化学性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 球磨法制备石墨烯纳米片及其电化学性能研究
• 4.1 球磨工艺参数的确定
• 4.1.1 球料配比的确定
• 4.1.2 球磨转速的确定
• 4.2 不同球磨时间制备的石墨烯纳米片结构对比
• 4.2.1 不同球磨时间样品的XRD图谱
• 4.2.2 不同球磨时间样品的电镜照片
• 4.2.3 不同球磨时间样品的红外光谱测试
• 4.2.4 不同球磨时间样品的拉曼光谱测试
• 4.3 不同球磨时间制备的石墨烯纳米片电化学性能对比
• 4.3.1 不同球磨时间样品充放电性能对比
• 4.3.2 不同球磨时间样品的循环伏安曲线对比
• 4.3.3 不同球磨时间样品的交流阻抗图谱对比
• 4.4 本章结论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者及导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书