聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及其在锂电池中的应用

摘要

聚苯胺（PANI）是由苯胺单体进行氧化聚合而形成的导电高分子聚合物，由于其具有较好的氧化还原可逆性，较高的理论比容量（294 mAh/g）且成本低廉，环境友好，因此可以用作锂电池的正极材料。然而，纯聚苯胺分子共轭程度低，自身团聚严重，作为电极材料的比容量较低，循环可逆性较差。基于此，本文以不同功能化石墨烯(RGO）为模板，采用吸附双氧化剂法制备出PANI/RGO以及PANI/RGO/CNTs复合材料，从而来提高聚苯胺的电化学性能。
　　首先，以不同氧化程度的石墨烯为模板，制备出PANI/RGO复合材料。采用SEM、TEM、FT-IR和XRD等技术对材料的物相结构及微观形貌及物相结构进行了分析，结果表明复合材料形成了层状结构，具有较好的形态学和结晶度。CV和EIS测试表明，还原态复合材料具有更好的电化学性能。电池充放电测试可知，还原态复合材料的比容量更高，循环性能更好，而电池在不同电流密度下进行充放电测试，电池的放电比容量越高，容量衰减越严重。
　　其次，对石墨烯材料进行了不同的功能化处理（羧酸化、草酸化和苯磺酸化），并以此为模板，制备出功能化的PANI/RGO复合材料，同时将1%RGO和1%AC与聚苯胺复合得到 PANI/RGO/AC复合材料。红外测试表明，不同功能化的石墨烯和聚苯胺复合材料都出现了对应特征官能团的吸收峰，而还原态聚苯胺与氧化态相比，醌式吸收峰减弱，苯式吸收峰增强，说明材料被较好还原。SEM和XRD测试表明，还原态复合材料具有更好的结晶度和规整性。电池EIS测试表明，苯磺酸化的材料具有最小的电荷迁移阻抗。CV测试表明还原态复合材料具有更大的峰电流密度和闭合面积。电池充放电测试表明，在0.1 C电流密度下，电池库伦效率接近100%，其中还原态苯磺酸化的材料放电比容量最高，达到202.7 mAh/g，50次充放循环后，容量衰减10.6%；PANI/RGO/AC的循环性能最好，0.1 C下，循环50次，衰减9.6%；0.2 C下，循环100次，衰减3.5%；0.5 C下，循环300次，衰减24.8%；1 C下，循环500次，衰减27.6%。
　　最后，将RGO和CNTs同时与PANI复合，改变三者的质量分数，得到不同的PANI/RGO/CNTs复合材料。SEM测试表明RGO为2%，CNTs为5%时，复合材料的形貌特征较好。红外和 XRD测试表明，RGO和 CNTs用量不同，复合材料中特征峰的峰强度也不同。CV和 EIS测试表明，随着 RGO和 CNTs用量增加，复合材料的可逆性变差。在0.2 C电流密度下，电池进行充放电循环100次，其中RGO为2%，CNTs为5%时，复合材料的循环稳定性最好，而随着RGO和CNTs用量的增加，循环稳定性逐渐变差。对所制备的材料进行了市场分析，与其它的锂电池正极材料相比，聚苯胺复合材料具有成本低廉，环境友好，放电稳定等优点，因此具有广阔的发展空间。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2聚苯胺的发展概述

1.3聚苯胺复合材料

1.4 锂-聚苯胺二次电池

1.5 本文研究的主要内容

第2章 试验原料与测试方法

2.1 试验药品及仪器

2.2 正极片的制备和电池的组装

2.3 材料表征及测试方法

第3章 氧化石墨烯的制备及与聚苯胺的复合

3.1 引言

3.2 氧化石墨烯的制备及还原

3.3 聚苯胺/石墨烯复合材料的制备

3.4 聚苯胺/石墨烯复合材料的表征

3.5 复合材料的电化学表征

3.6 本章小结

第4章 石墨烯的功能化及与聚苯胺的复合

4.1 引言

4.2 石墨烯材料的功能化

4.3 功能化PANI/RGO复合材料的制备

4.4 功能化PANI/RGO复合材料的表征

4.5 功能化复合材料的电化学表征

4.6 本章小结

第5章 PANI/RGO/CNTs复合材料的制备及表征

5.1 引言

5.2 PANI/RGO/CNTs复合材料的制备

5.3 PANI/RGO/CNTs复合材料的表征

5.4 PANI/RGO/CNTs复合材料的电化学表征

5.5 本章小结

第6章 市场经济分析

6.1 引言

6.2 二次电池的发展现状

6.3 锂-聚苯胺电池的市场竞争分析

6.4 市场需求

6.5 市场竞争

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢