新型石墨烯/二氧化锡复合材料作为锂离子电池负极的制备与性能研究

摘要

近年来，随着电动车产业与便携式电子产品的飞速发展，高容量、大电流、长循环寿命的电极材料已成为迫切需求。其中，氧化锡(SnOx，x=1或2)被认为是最有潜力的下一代商用LIBs的负极材料。因为，氧化锡价格低廉、来源丰富，还是环境友好型材料。但是，SnO2在充放电循环过程中会产生严重的体积膨胀(约400％)现象，导致材料破碎与粉化，从而与集流体失去电接触。将具有高比表面积、高电子迁移率和高导电率的单原子层石墨烯与SnO2复合是有效的改性方法。因为石墨烯不仅可以有效缓解由于SnO2的体积膨胀而产生的内应力，还可以提供超高的比表面积和电导率，从而提高材料的电学性能。
　　本文结合了多种物理和化学方法，设计两种新型结构的石墨烯/SnO2复合材料，并将其直接作为LIBs负极材料，而不需要添加粘结剂或导电剂等非活性材料，获得了较好的电化学性能:
　　1)采用静电纺丝技术制备石墨烯/SnO2/PVAc一维复合纤维薄膜，随后热处理去除PVAc，得到石墨烯/SnO2一维复合纤维薄膜。首先，用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Ramanspectrum)与热重分析(TG)等方法对材料结构进行表征，并进行了电化学性能测试。结果表明，在50μA g-1的电流密度下，石墨烯/SnO2复合薄膜首次放电容量为754.6 mAh g-1，循环300圈后充放电容量仍然保持在475.4 mAhg-1，约为纯SnO2纤维薄膜的5倍。
　　2)采用化学气相沉积法(CVD)制备三维(3D)石墨烯，随后用水热法制备3D结构的石墨烯/SnO2复合纳米材料作为LIBs负极材料。并对其进行恒流充放电、循环伏安法测试。实验结果表明，3D石墨烯/SnO2电极材料在50上A g-1的电流密度下，首圈放电容量为1708.1 mAh g-1。同时，与3D SnO2材料相比，3D石墨烯/SnO2复合材料的储锂容量与循环性能具有明显的优势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池的发展历史

1．2．2 锂离子电池的工作原理与组成

1．2．3 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池负极材料的概述

1．3．1 碳基负极材料

1．3．2 非碳基负极材科

1．4 石墨烯在锂离子电池上的应用

1．4．1 石墨烯简介

1．4．2 石墨烯的制备方法

1．4．3 石墨烯的储锂性能

1．4．4 新型石墨烯基结构材科(3D石墨烯)

1．5 主要研究内容和组织架构

第二章 实验与表征

2．1 引言

2．2 主要实验材料及仪器设备

2．3 材料结构表征

2．3．1 X射线衍射(XRD)

2．3．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．3 透射电子显微镜(TEM)

2．3．4 拉曼光谱(Raman spectrum)

2．3．5 热重分析(TG)

2．4 电化学性能测试

2．4．1 扣式电池的组装

2．4．2 恒流充放电测试

2．4．3 循环伏安法(CV)

第三章 静电纺丝法制备石墨烯／SnO2复合材料作为锂离子电池负极

3．1 引言

3．2 实验方案

3．2．1 制备氧化石墨烯

3．2．2 制备石墨烯／SnO2复合纳米颗粒

3．2．3 制备石墨烯／SnO2复合纳米纤维

3．3 结果与讨论

3．3．1 材料结构裹征

3．3．2 电学性能测试

3．4 本章小结

第四章 水热法制备3D石墨烯／SnO2复合材料作为锂离子电池负极

4．1 引言

4．2 实验方案

4．2．1 CVD法制备3D石墨烯

4．2．2 水热法制备3D石墨烯／SnO2复合材料

4．3 结果与讨论

4．3．1 材料结构裹征

4．3．2 电学性能测试

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的科研成果

致谢