锂离子电池负极材料石墨烯的制备及其电化学性能研究

论文摘要

锂离子电池具有能量密度高、无记忆效应、平均输出电压高等一系列优点,它在移动通信、信息技术、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域中具有重要和广阔的应用前景。目前为止,致力于锂离子电池负极材料的研究很多,最常用的负极材料是石墨,石墨具有高导电性,高可逆比容量等优点,并且具有良好的层状结构,适合锂的嵌入/脱嵌,能够形成锂-石墨层间化合物Li-GIC,其充放电比容量可达300 mAh/g以上,充放电效率在90%以上,不可逆容量低于50 mAh/g,但是石墨的理论容量不高,且与有机溶剂相容能力差,所以目前许多研究工作者都致力于石墨的改性研究。自从Geim发现石墨烯以来,石墨烯就被认为能在锂离子电池中取代石墨,成为理想的锂离子电池负极材料。石墨烯是具有单层原子厚度的二维层状结构,其比表面达到了2630m2/g,它具有良好的电导率、突出的电子性能、显著的机械性能以及较宽的电化学窗口等优点。本论文通过大量的资料调研,紧跟该领域的国际研究前沿,主要采用三种不同的合成方法制备石墨烯材料,考察不同的合成条件对石墨烯材料的影响,并且应用SEM、TEM、红外等手段对目标材料进行了结构表征。通过实验研究得到以下结论：1、采用氧化石墨还原法制备得到石墨烯材料,系统研究了超声波分散时间、回流时间对制备的石墨烯的电化学性能和结构特性的影响,研究结果表明：超声波分散3h后在100℃条件下回流24 h能得到电化学性能较理想的石墨烯。以50mA/g的电流密度充放电,其首次放电比容量为1030 mAh/g,经过20次充放电循环后容量衰减为546 mAh/g。其中,首次放电过程中消耗大量Li+用于形成SEI膜,导致第二次放电比容量与首次放电比容量相比衰减很快,但从第二个循环开始渐渐稳定。2、采用在氮气气氛下热解的方法制备石墨烯,考察了三个不同温度段和焙烧时间条件下制备的石墨烯性能,结果表明：无论是低温、中温还是高温制得的石墨烯表现出的电化学性能都与石墨表现相当。其中900℃条件下焙烧2 h得到的石墨烯相对而言表现出较稳定的电化学性能。在50 mA/g电流密度下,较优条件下合成的石墨烯材料的首次放电比容量达到了1513 mAh/g,经过50个循环后容量为450 mAh/g。3、采用氢气还原法合成石墨烯负极材料,实验表明整个合成过程与传统的合成方法相比简单易行。在制备的过程中,考察了还原温度、还原时间对制备的石墨烯性能的影响,研究表明：300℃条件下还原2 h是制备石墨烯的最优条件。在氢气气氛300℃条件下还原2 h制得的石墨烯表现出最佳的电化学性能,其在50 mA/g电流密度下首次放电比容量为2274 mAh/g,在第二个循环衰减为1618 mAh/g,但是经过50个循环之后放电比容量仍然高达1283 mAh/g。IR谱图表明,氧化石墨在还原作用下,其中的含氧基团得以去除从而使得制得的石墨烯材料的碳氧比升高。石墨烯材料的层间距为0.37 nm,这有利于材料的脱嵌锂性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子电池的发展历史
• 1.3 锂离子电池的特点
• 1.4 锂离子电池工作原理
• 1.5 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.6 锂离子电池负极材料的基本要求
• 1.7 锂离子电池负极材料的研究现状
• 1.7.1 石墨
• 1.7.2 软碳
• 1.7.3 硬碳
• 1.7.4 碳纳米材料
• 1.7.5 石墨烯
• 1.7.6 过渡金属氮化物
• 1.7.7 锡基负极材料
• 1.7.8 纳米合金负极材料
• 1.7.9 金属氧化物负极材料
• 1.7.10 其它负极材料
• 1.8 本论文的主要研究目的和内容
• 1.9 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品与方法及原理
• 2.1 实验主要药品
• 2.2 实验装置和实验原理
• 2.2.1 管式电阻炉
• 2.2.2 真空干燥箱
• 2.2.3 手套箱
• 2.3 电池的组装
• 2.3.1 极片的制备
• 2.3.2 隔膜与电解液
• 2.4 材料的电化学性能测试
• 2.4.1 恒流充放电法
• 2.4.2 交流阻抗法
• 2.4.3 循环伏安法
• 2.5 材料的物理性能表征
• 2.5.1 扫描电子显微镜
• 2.5.2 透射电子显微镜和高倍透射电镜
• 2.5.3 红外光谱
• 第3章 氧化石墨法石墨烯材料的制备及其电化学性能研究
• 3.1 概述
• 3.2 材料的制备
• 3.2.1 氧化石墨的制备
• 3.2.2 石墨烯的制备
• 3.3 石墨烯材料的表征
• 3.3.1 材料的SEM图
• 3.3.2 材料的TEM图
• 3.3.3 红外光谱表征
• 3.4 材料的电化学性能研究
• 3.4.1 恒流充放电测试
• 3.4.2 循环伏安测试
• 3.4.3 交流阻抗测试
• 3.5 本章小结
• 2气氛下热解合成石墨烯及其电化学性能研究'>第4章 在N₂气氛下热解合成石墨烯及其电化学性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 材料的制备
• 4.2.1 氧化石墨的合成
• 4.2.2 石墨烯的合成
• 4.3 石墨烯材料的表征
• 4.3.1 材料的SEM图
• 4.3.2 材料的TEM图
• 4.4 石墨烯的电化学性能研究
• 4.4.1 恒流充放电测试
• 4.4.2 循环伏安测试
• 4.4.3 交流阻抗测试
• 4.5 本章小结
• 第5章 低温还原法合成石墨烯及其电化学性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 材料制备
• 5.2.1 氧化石墨的合成
• 5.2.2 石墨烯的合成
• 5.3 石墨烯材料的表征
• 5.3.1 石墨烯的SEM图
• 5.3.2 氧化石墨和石墨烯的HRTEM和TEM图
• 5.3.3 氧化石墨和石墨烯的红外光谱表征
• 5.4 石墨烯的电化学性能研究
• 5.4.1 恒流充放电循环测试
• 5.4.2 循环伏安测试
• 5.4.3 交流阻抗测试
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果