基于限域反应制备SnO2/石墨烯复合电极材料及其电化学性能研究

摘要

对现有的锂离子电池电极材料而言,无论是正极还是负极材料,大多存在某些共性的缺陷,如电导率低、充放电时的结构不稳定以材料纳米化以后出现副反应等,而无法满足新一代高容量、高功率锂离子电池的需要。SnO2作为一种典型的锡基负极材料,其嵌/脱锂过程同时具有相转化反应和合金化反应的特征,在具有较高理论储锂容量(783mAhg-1)的同时又存在体积膨胀严重(≥300％)、粉化以及电导率低等问题。因此,SnO2可作为研究解决现有电极材料共性缺陷的代表性材料。
　　目前,解决SnO2体积膨胀、粉化和导率低等的方法主要有两类:一类是将SnO2纳米化,通过把SnO2制备成各种结构的纳米材料来缓冲SnO2的体积膨胀;另一类是将SnO2担负在碳材料上或对进行SnO2碳包覆,借助于担载或包覆材料的高导电性和柔韧的结构来克服SnO2的缺陷。但是,SnO2的纳米化使其副反应增多,而碳纳米管和碳纳米纤维在担载纳米SnO2时又存在自身结构上的局限,因此亟需一种具有新型结构的担载材料。
　　石墨烯作为一种新型的二维结构碳材料,具有诸多优良的性质,如具有极高的电子电导率、极强的结构强度和良好的结构柔韧性等,是一种担载SnO2的理想材料。
　　本论文采用化学氧化还原法制备石墨烯,并将石墨烯作为SnO2的担载材料制备SnO2/石墨烯复合电极材料。通过考察氧化剂(KMnO4或 KClO3)、氧化酸(H2SO4和HNO3)和盐(NaNO3)的不同搭配对石墨烯结构和性能的影响,寻找适合与电极材料复合石墨烯的制备方法。实验结果表明,KMnO4具有较好的打开石墨中石墨烯片层间距的作用,而KClO3的开层作用则较差,以KMnO4为氧化剂制备的氧化石墨烯和石墨烯的结构和电化学性能要优于以KClO3为氧化剂制备的氧化石墨烯和石墨烯;另外,氧化石墨烯的还原方式也强烈地影响石墨烯的电化学性能,其中采用水热还原得到的石墨烯具有最好的电化学性能,其初始可逆储锂容量达1366mAhg-1,50次循环后的可逆储锂容量仍保持在648mAhg-1。
　　本论文通过引入超声波合成以及“限域反应”思想,提出了超声波辅助水热/溶剂热法(UAH)和超声波辅助气-液界面法(UAG-L)制备SnO2/石墨烯复合电极材料。由超声波辅助水热/溶剂热法制备的SnO2/石墨烯均表现出良好的电化学性能,尤以G-SUAH-W-a的电化学性能最为优异,其在0.1Ag-1电流密度下50次循环后的放电容量仍高达1455mAhg-1。而由超声波辅助气?液界面法SnO2/石墨烯同样表现出优异的电化学性能,其在0.1Ag-1电流密度下50次循环后的放电容量高达1554mAhg-1,而在1Ag-1电流密度下的放电容量仍保持在1163mAhg-1。SnO2/石墨烯复合材料的电化学性能测试结果表明,由SnO2与Li+反应生成Sn和Li2O的相转化反应在SnO2/石墨烯中具有较高的可逆程度,这可能与石墨烯对这一反应有较高的催化作用有关。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2锂离子电池概述

1.3二氧化锡(SnO2)

1.4石墨烯(Graphene)

1.5本文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验药品和仪器

2.2石墨烯的制备

2.3 SnO2/石墨烯复合电极材料的制备

2.4研究电极的制备和扣式模拟电池的组装

2.5研究材料的物理化学性质表征

2.6研究材料的电化学性能表征

第3章 石墨烯的化学氧化还原法制备及性能研究

3.1引言

3.2氧化酸和盐对GO、rGO结构和性能的影响

3.3氧化剂KClO3对GO、rGO结构和性能的影响

3.4还原方式对rGO结构和性能的影响

3.5本章小结

第4章 SnO2/石墨烯复合材料的制备及其性能表征

4.1引言

4.2 SnO2的合成与表征

4.3超声波辅助水热/溶剂热法(UAH)

4.4超声波辅助气?液界面法(UAG-L)

4.5本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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