锂离子电池作为最有发展前景的新能源之一，被广泛应用于便携式电子设备及能量存储设备等领域。硅、铁等氧化物负极材料廉价并具有较高的比容量（500-1000 mAh g–1），但这些材料存在着导电性能差、在充放电过程中材料结构可能会坍塌或破坏等缺点，将其固载到导电性能好的碳基材料是解决上述问题的方法之一。作为一类新兴材料，石墨烯气凝胶（graphene aerogel，GA）兼有石墨烯和气凝胶的特性，具有高比面积、高电导率、超低密度、高热稳定性及结构可控等优点。而且，GA结构中含有丰富的极性官能团如羟基等，具有较好的嵌入化学特性，便于与诸多氧化物结合形成复合材料。本论文采用水热直接还原法结合冷干和焙烧技术，制备了氮、氧化硅以及数种铁氧化物掺杂GA超轻复合材料，具体内容如下： （1）采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯（graphene oxide，GO），采用直接水热还原法将其还原为石墨烯水凝胶（graphene hydrogel，GH），进而用氨水对GH进行水热处理并冷冻干燥，得到氮掺杂石墨烯气凝胶（N-GA）。结果表明，所得N-GA在成功实现氮掺杂的同时，还保持着GA的三维结构，并具有较大的比表面积（SBET=379 m2 g–1），在电流密度为100 mA g–1、100次循环后，其可逆比容量高达535 mAh g–1，表明氮的引入使GA获得更多的储锂活性位点，从而提高了其电化学性能。 （2）以硅酸乙酯为硅源、在不使用其它结构导向剂的情况下，成功制备出SiO2@GA三维复合材料。结果显示，SiO2@GA具有多级孔结构特征，其中SiO2以非晶相态形式存在，并具有较大的比表面积（SBET=396 m2 g–1）和孔体积（Vp=0.672 cm3 g–1），在电流密度为500 mA g–1时，其可逆电容量仍高达300 mAh g–1。 （3）以Fe(OH)3胶体为铁源，成功制备出α-Fe2O3@GA三维复合物，进而在氮气氛围内于800℃下对所制复合物进行焙烧处理，制得Fe3O4@GA复合物。与单纯的Fe2O3（SBET=20 m2 g–1，Vp=0.177 cm3 g–1）相比，所制得的两种铁氧化物掺杂GA拥有更大的比表面积和孔体积。电化学性能评价结果表明，两类铁氧化物掺杂GA均具有较高的比容量、良好的循环及倍率性能。 （4）以乙二醇为溶剂、硝酸铁为铁源，采用直接水热合成方法成功制备出具有高Fe2O3固载量和稳定三维结构的Fe2O3@GA复合物。电化学性能评价结果表明，在电流密度为100 mA g–1、100次循环后，所制Fe2O3@GA可逆比容量仍可高达745 mAh g–1。 研究说明，本论文所制几种复合材料的可逆比容量、循环稳定性及倍率性能等电化学性能明显优于相应的单纯氧化物。这是因为氧化物的掺杂抑制了石墨烯层的堆叠，而GA则提供了丰富的孔结构，有利于电极材料与电解液的接触，并且在循环过程中抑制甚至消除氧化物的体积膨胀效应。本文所得结果为石墨烯气凝胶基功能材料的利用和锂离子电池电极材料的开发奠定了一定的基础。
展开▼
