纳米碳基过渡金属氧化物用于高倍率锂电负极的研究

摘要

石墨烯纳米材料被视为具有良好发展前景的锂离子电池电极材料，因此，采用低成本和高生产效率的方法来合成这些材料是有必要的。与纯碳材料相比过渡金属氧化物具有较高的理论比容量，但是过渡金属氧化物作为锂电负极材料存在很多弊端，如:导电性差，稳定性差。近年来，柔性电极（如碳布，碳纸，泡沫镍）的使用逐渐在取代传统电极（涂在铜箔上的电极），具有三维结构的柔性集流体可以在水热或溶剂热过程中通过共沉淀和热处理的方法制备出具有特殊形貌的三维结构。
　　多孔石墨烯纳米片(PGS)是由膨胀石墨(EG)制得，首先通过磷酸插层法合成，随后通过焙烧过程来扩大石墨片层的层间距，这也是对随后的氯化锌造孔起到铺垫的作用。然后，氯化锌在加热的过程中会发生分解，产生气体，从而形成多孔石墨片结构，该材料可以普遍应用于许多领域，如电子产品，传感器以及能量的储存和转换。
　　将导电性较好的石墨烯与钴的氧化物、硫化物进行复合。石墨烯具有片层结构，有利于电子和离子进入其表面，从而促进反应快速进行。更重要的是，石墨片层与过渡金属氧化物之间具有更多的接触面积和活性位点，增加整体材料的导电性，减少其在充放电过程中体积的膨胀，进而改善了电池的充放电比容量，倍率特性以及循环稳定性。
　　采用该方法在柔性基底上生长出黑铅铜矿Ni6MnO8和尖晶石结构MnCo2O4。作为一种自支撑电极制备不需在反应过程中加入任何粘结剂，可以直接用于锂离子电池负极材料，提高材料的导电性及循环稳定性。此外，双金属氧化物的理论比容量要高于单金属氧化物，碳布基底与过渡双金属氧化物之间具有更多的接触面积和活性位点，有利于锂离子的嵌入和脱出，提高其比容量及倍率性能，还可以减少过渡金属氧化物在充放电过程中体积膨胀的问题。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．3 碳材料负极材料的研究进展

1．3．1 石墨

1．3．2 石墨烯

1．3．3 其它碳材料

1．4 过渡金属氧化物负极材料的研究进展

1．4．1 单金属氧化物

1．4．2 双金属氧化物

1．5 课题的研究目的与意义

1．6 本课题研究内容

第2章 实验材料和表征方法

2．1 实验试剂及仪器

2．2 表征方法

2．2．1 X射线衍射光谱(XRD)

2．2．2 X射线光电子能谱(XPS)

2．2．3 拉曼光谱(Raman)

2．2．4 氮气吸附脱附(BET)

2．2．5 扫描电镜(SEM)

2．2．6 透射电镜(TEM)

2．2．7 能谱分析(EDS)

2．2．8 原子力显微镜(AFM)

2．3 性能测试

2．3．1 充放电测试

2．3．2 循环伏安测试(CV)

2．3．3 交流阻抗测试(EIS)

第3章 磷酸插层法制备多孔石墨片及其在锂电负极性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 多孔石墨片(PGS)的制备

3．2．2 锂离子电池的组装

3．3 结果与讨论

3．3．1 多孔石墨片样品的结构表征

3．3．2 多孔石墨片的储锂性能研究

3．4 本章小结

第4章 RGO复合材料的制备及其锂电性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 CoO／RGO复合材料的制备

4．2．2 Co9S8／RGO复合材料的制备

4．2．3 锂离子电池的组装

4．3 结果与表征

4．3．1 CoO／RGO复合材料的表征及锂电负极性能研究

4．3．2 Co9S8／RGO复合材料的表征及锂电负极性能研究

4．4 本章小结

第5章 碳布上生长介孔片层Ni6Mn08用于自支撑高倍率锂电负极的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 介孔片层Ni6Mn08，碳布复合材料的制备

5．2．2 锂离子纽扣电池的组装

5．3 结果与表征

5．3．1 Ni6Mn08／碳布复合材料的结构表征

5．3．2 Ni6MnO8／碳布复合材料电化学性能研究

5．4 本章小结

第6章 溶剂热法制备球形MnCo204／碳布复合体及其储锂性能研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 溶剂热法制备球形MnCo2O4倒饰复合材料

6．2．2 锂离子纽扣电池的组装

6．3 结果与表征

6．3．1球形MnCo2O4／碳布的结构表征

6．3．2 球形MnCo2O4／碳布的电化学性能研究

6．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利情况

声明