SnO2/石墨烯复合材料电化学性能研究

论文摘要

本论文以SnO2/石墨烯（graphene）复合材料为研究对象，围绕材料的主要性能比容量大小，循环稳定性及倍率性能，采用水热合成法制备了SnO2/graphene复合材料，运用X射线衍射（XRD）、红外光谱分析（FTIS）、比表面积分析（BET）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、拉曼光谱（Raman shift）对复合材料进行表征。运用恒电流充放电、交流阻抗（EIS）和循环伏安（CV）等方法对其电化学性能进行测试和分析，系统的研究了复合材料的形貌、结构和电化学性能。以乙醇和SnCl2·2H2O为原料，采用水热法制备纳米SnO2粉末，乙醇溶液起到了空间位阻作用，阻止了Cl-接近Sn2+从而保证反应方向性，乙醇溶液是一种络合剂和隔离剂（在溶液中形成聚合网结构，保持金属氧化物的距离，防止氧化物的之间的团聚），采用FTIR光谱和X射线衍射研究了样品纳米结构，实验表明SnCl2·2H2O在碱性乙醇溶液（pH≈12）120℃下6h所形成的纳米SnO2颗粒较均匀，空间结构较大，比表面积较大。对纳米SnO2的电化学研究表明：在充放电电压0.005V-3V条件下0.1C放电，其首次放电容量分别1773mAh/g,30次循环后其放电容量为582mAh/g。显示出作为锂离子电池负极材料纳米SnO2具有很高的比容量和良好的循环性能。以天然石墨，通过Hummer法制备了氧化石墨（graphite oxide, GO），再通过微波法剥离氧化石墨制备了石墨烯纳米片（graphene nanosheets, GNS）。对石墨烯的结构、形貌和电化学性能进行了研究。微波法制备的石墨烯电极在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、5C和10C的不同电流密度下进行了充放电测试。在0.1C首次放电容量达到了2300mAh/g，放电时30次循环后容量保持在547mAh/g，库伦效率是95%。这表明单纯的石墨烯电极虽然具有较高的首次充放电，但其循环稳定性不佳，容量在充放电过程中损失较大，说明石墨烯片作为锂离子电池负极材料，其较高的衰减率是影响期循环寿命的首要因素。采用了水热合成法将其摩尔比为3:1的SnO2和GNS混合制备了SnO2/graphene复合物材料。并对SnO2/graphene复合材料的结构、形貌和电化学性能进行了研究。结果表明，SnO2中的O2-与石墨烯表面的某些官能团形成桥键，并均匀分布在石墨烯和SnO2之间，从而使石墨烯纳米片和纳米SnO2颗粒均匀复合。水热合成制备的SnO2/graphene复合材料在电流倍率为0.1C时的首次放电容量和充电容量分别为2646mAh/g和1340mAh/g，经过30次循环充放电测试后其库伦效率保持在96%以上。在2C和5C的电流密度下，水热合成制备的复合材料在经过30次的充放电测试后其库伦效率分别为98%和98%。这些数据显示水热合成法制备的SnO2/graphene复合材料具有较高的可逆容量、良好的倍率性能和循环稳定性。石墨烯的高导电性为Li+的快速传输创造了更多的活性表面位置，减少了Li+传输过程中所需要的活化能，提高了Li+穿过电极/电解质界面向SnO2电极表面的扩散速度，从而提高了复合材料的循环性能和倍率性能。通过对比SnO2、GNS和SnO2/graphene复合材料在相同条件下的充放电数据可知SnO2/graphene复合材料的比容量并不是由单一的纳米SnO2和单一的石墨烯容量的相加，说明纳米SnO2和石墨烯两种物质之间存在着协同作用。采用循环伏安法测试了SnO2/graphene复合材料在不同循环次数的曲线并进行分析对比。采用交流阻抗法对纳米SnO2材料和SnO2/graphene复合材料的电化学过程进行了比较研究，通过拟合软件得到了SnO2/graphene复合材料的交流阻抗谱，从而得到电荷转移电阻，并计算了交换电流密度。我们发现：在SnO2/graphene复合材料中存在着协同效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池
• 1.2.1 锂离子电池的工作原理
• 1.2.2 锂离子电池的特性
• 1.2.3 锂离子电池的发展历史
• 1.3 锂离子电池正极材料与电解液体系
• 1.3.1 锂离子电池的正极材料
• 1.3.2 锂离子电池电解液体系
• 1.4 锂离子电池负极材料的研究进展
• 1.4.1 锂离子电池负极材料的要求
• 1.4.2 碳负极材料
• 1.4.3 合金类负极材料
• 1.4.4 锡基氧化物类负极材料
• 1.5 选题意义
• 2制备与电化学性能'>第2章 纳米 SnO₂制备与电化学性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料与设备
• 2.2.2 实验方法及样品制备
• 2.2.3 模拟电池组装
• 2.3 样品表征与测试
• 2.3.1 X-衍射分析
• 2.3.2 红外光谱分析
• 2.3.3 BET 比表面积分析
• 2.3.4 SEM 分析
• 2粉体充放电性能测试'>2.3.5 纳米 SnO₂粉体充放电性能测试
• 2.4 本章小结
• 第3章 石墨烯的制备与电化学性能
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验试剂、材料和仪器
• 3.2.2 石墨烯的制备
• 3.2.3 模拟电池组装
• 3.3 石墨烯的表征
• 3.3.1 红外光谱分析
• 3.3.2 XRD 分析
• 3.3.3 BET 分析
• 3.3.4 SEM 分析
• 3.3.5 TEM 分析
• 3.3.6 拉曼光谱分析
• 3.3.7 石墨烯充放电性能测试
• 3.4 本章小节
• 2/石墨烯复合材料的制备与电化学性能'>第4章 SnO₂/石墨烯复合材料的制备与电化学性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 2/graphene 复合材料的制备'>4.2.1 SnO₂/graphene 复合材料的制备
• 2/graphene 复合材料的模拟电池组装'>4.2.2 SnO₂/graphene 复合材料的模拟电池组装
• 4.3 X-射线衍射分析
• 4.4 BET 分析
• 4.5 SEM 分析
• 4.6 TEM 分析
• 4.7 拉曼光谱析
• 2/graphene 复合材料的电化学性能'>4.8 SnO₂/graphene 复合材料的电化学性能
• 4.8.1 首次充放电曲线
• 4.8.2 循环伏安曲线
• 4.8.3 倍率性能测试
• 4.8.4 交流阻抗测试
• 2、GNS和 SnO₂/graphene 复合材料的性能比较'>4.8.5 SnO₂、GNS和 SnO₂/graphene 复合材料的性能比较
• 4.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介