石墨烯的微观结构及其对电化学性能的影响

论文摘要

石墨烯作为一种新兴的材料,因其特殊的二维网状结构而具有非常优异的力、热、光、电性能,发展前景十分广阔。化学剥离的方法是制备大量低成本石墨烯的有效手段。如何对石墨烯的形态进行有效控制,是目前研究工作的难点。我们通过控制石墨烯的来源,制备出了不同形貌结构的石墨烯,并对其电化学性质进行了表征。此外,以往研究石墨烯在锂离子电池中的行为时,不可避免要通过压片的方法制备负极材料,虽然这种方法得到的石墨烯表现出了很好的电化学性能,但这仍然只是石墨烯团聚体的性质。为了表征石墨烯的本征容量,我们通过向石墨烯片层中掺杂惰性物质的方法来使石墨烯在压片后依然维持单层的结构,进一步通过测量计算得到了石墨烯的理论容量。本文以天然石墨、纳米石墨以及两种不同粒径的中间相沥青炭微球FMGP、MGP为原料,通过化学氧化高温热膨胀还原的方法制备石墨烯。通过SEM、TEM、XRD分别表征了原料和石墨烯的形貌结构,并进行了充放电测试、循环伏安、交流阻抗来表征石墨烯微观结构对电化学性能的影响。研究发现,球状原料制成的石墨烯的团聚形式以手风琴状、书页状为主,片状原料制得的石墨烯则以絮状团聚体居多。石墨烯的可逆容量、库伦效率、循环性能、储锂能力以及动力学性能等与石墨烯的层间距、有序度、片层大小有很大关系。层间距大,有序度低的石墨烯可逆容量较高,储锂能力强,其中,NanoG45可逆容量最高,为446mAh/g,比最低的NG45高23.3%,而NG45循环稳定性较好,从第四次以后库伦效率就可达到90%以上,这与它具有较大的SP2域有关。原料的形状、粒径决定着所得石墨烯的形貌和微观结构,这些因素共同作用影响石墨烯的电化学性能。通过混合纳米铜粉分散石墨烯,制备了Cu/C复合材料。当铜粉添加量达到石墨烯质量的500倍时,复合材料中的石墨烯就被分散成了单片层。我们估算出石墨烯的理论比容量为736mAh/g,大约是石墨的两倍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 石墨烯的概述
• 1.2.1 石墨烯的结构
• 1.2.2 氧化石墨烯的结构
• 1.3 石墨烯的制备
• 1.3.1 机械剥离法
• 1.3.2 化学剥离法
• 1.3.3 有机合成法
• 1.3.4 催化生长法
• 1.3.5 其他方法
• 1.4 石墨烯的应用
• 1.4.1 石墨烯的应用形式
• 1.4.2 石墨烯的应用领域
• 1.5 石墨烯研究的国际形式
• 1.6 本课题的意义和内容
• 1.6.1 选题的意义
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 研究方案
• 2.2 实验原料与设备
• 2.2.1 实验用原料
• 2.2.2 实验用试剂
• 2.2.3 实验用设备
• 2.3 样品的制备
• 2.3.1 氧化石墨的制备
• 2.3.2 热膨胀还原
• 2.4 电极的制备及模拟电池的组装
• 2.5 形貌结构的表征方法
• 2.5.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.5.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.5.3 X射线衍射（XRD）
• 2.6 电化学测试与分析
• 2.6.1 恒流充放电
• 2.6.2 循环伏安
• 2.6.3 交流阻抗
• 第三章 石墨烯的微观结构对电化学性能的影响
• 3.1 原料与石墨烯的形貌结构的表征
• 3.1.1 原料的结构
• 3.1.2 石墨烯的结构
• 3.2 电化学性能测试分析
• 3.2.1 恒流充放电性能测试
• 3.2.2 循环伏安
• 3.2.3 交流阻抗性能测试
• 3.3 小结
• 第四章 石墨烯本征容量的探索
• 4.1 实验方案的确定
• 4.1.1 实验原理
• 4.1.2 实验方案
• 4.1.3 实验步骤
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 C/Cu复合材料的形貌
• 4.2.2 铜粉氧化程度的表征
• 4.2.3 掺杂比例的确定
• 4.2.4 单层石墨烯比容量的计算
• 4.3 下一步研究方向
• 4.4 小结
• 第五章 总结
• 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
• 附录