新型碳材料及其复合材料的制备与电化学性能研究

摘要

锂离子二次电池具有能量密度高、循环寿命长、无污染等优点，已成为最具潜能的储能装置。商业化石墨碳材料作为锂离子电池负极材料具有良好的循环性能，但比容量较低，不能满足当前锂离子电池的发展需要，迫切需要进行新型高容量负极材料的研究和探索。过渡金属物的比容量较高，但是循环性能和倍率性能都很差。为了解决这个问题，人们已经开始研究碳材料与金属氧化物形成纳米复合材料来改善材料的锂电性能。本文制备了新型的碳材料，以及以其为基底，采用不同的化学方法制备RGO-CNTs-Co3O4、C-Co3O4-FGS及MCNTs-Fe2O3复合材料，并研究了样品的电化学性能。
　　利用低温水热反应和低温热处理相结合的方法制备了还原氧化石墨烯(RGO)、碳纳米管(CNTs)和Co3O4的三元纳米复合材料(RGO-CNTs-Co3O4)。反应过程中，利用肼作为还原剂，将氧化石墨还原成石墨烯，同时作为沉淀剂与硝酸钴反应，在石墨烯和CNTs表面生成氢氧化钴，经低温热处理得到RGO-CNTs-Co3O4三元复合材料。对样品进行电化学测试，在电流密度为100 mA/g时，三元复合材料的首次放电比容量达1650 mA·h/g，在50次充放电循环后其比容量仍保持在1261 mA·h/g，容量保持率仍为76.4％，第五次至第五十次的容量保持率接近于100%。
　　采用简单的两步水热法，合成了碳包覆的四氧化三钴与石墨烯复合材料，通过扫描SEM、TEM及XRD对样品的形貌和结构进行了表征。结果显示，碳化的葡萄糖微球完全包覆了Co3O4粒子，并且较均匀的负载在片层石墨烯片表面及片层间。C-Co3O4-FGS复合材料在100 mA/g电流密度下，在50次充放电循环后其比容量仍保持在844 mA·h/g，性能远优于单一的FGS、Co3O4以及Co3O4-FGS，说明C-Co3O4-FGS复合材料是一种有应用潜力的负极材料。
　　制备了新型介孔碳纳米管(MCNTs)复合材料，并研究了电化学性能。用溶剂热法，以乙二醇作为碳源，醋酸锌为结构导向剂，合成了高比表面积的新型介孔碳纳米管。其在电流密度100 mA·h/g下，充放电50次后，比电容保持在889 mA·h/g，第五次至第五十次的容量保持率为90.0%。采用浸渍低温热分解法合成了 MCNTs-Fe2O3复合负极材料。在电流密度为100 mA/g时，复合材料的首次放电比容量达1850 mA·h/g。第五次至第五十次次充放电后，容量保持率接近于100%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.3 锂离子电池的电极材料

1.4 锂离子电池正极材料

1.5 锂离子电池负极材料

1.6 本文的研究意义及主要内容

第二章 石墨烯/碳纳米管/Co3O4三元复合材料的制备与锂电性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与分析

2.4 机理分析

2.5 本章小结

第三章 水热法合成新型碳包覆的四氧化三钴/石墨烯复合材料及其锂电性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与分析

3.4 机理分析

3.5 本章小结

第四章 新型介孔碳纳米管-三氧化二铁负极材料的制备及其电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果讨论与分析

4.4 机理分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文