氮掺杂石墨烯/氮掺杂碳/无机纳米颗粒复合材料的制备及储锂性能研究

摘要

发展低成本、高容量和高安全性的电池负极材料成为当前锂离子电池工业的关键，因此设计新型的具备工艺简单、成本低、环境友好和产率高等特点的复合材料应用于锂离子电池负极材料具有重要的理论与实际意义。
　　本研究以氨基葡萄糖为含氮碳源，采用简单且环保的溶液混合及高温碳化法制备了一种新型复合材料，即氮掺杂石墨烯/硅@氮掺杂碳（NG/Si@NC），并采用XRD、SEM、TEM和XPS等对其结构、微观形貌等的表征，测试了其作为锂离子电池负极材料时的电化学性能，并探讨了硅含量对复合材料微观形貌和电化学性能的影响。SEM和TEM观察发现，在复合材料中，硅纳米颗粒表面均匀覆盖了一层无定形碳层（厚度在8nm左右），并作为整体均匀分散且锚定封装在石墨烯片层中；XPS和Raman结果显示，NG/Si@NC复合材料中碳层和石墨烯均成功的掺杂了氮元素；元素面扫描显示氮元素分布均匀，与碳元素的分布一致。NG/Si@NC电极在500mA/g的电流密度下，最初可逆比容量为1142mAh/g，100个循环后容量保持率为82％，其中碳层和石墨烯片起到了双重保护的作用；更重要的是，由于氮掺杂提高了电子和锂离子的有效传输，使得Si@NC/NG电极材料的可逆比容量和倍率性能均高于未掺杂氮的Si@C/G复合材料，并高于文献报道的绝大多数类似的复合材料。另外，通过改变NG/Si@NC复合材料中硅的含量，可以得到不同厚度的碳层结构及电化学性能。当硅含量分别为57.5、70.3、83.9和89.2wt%时，对应的包覆在硅颗粒表面的碳层厚度分别为10、7、5和3nm；当硅在NG/Si@NC复合材料中的含量为70.3%时，电极可以保持稳定的循环特性、相对较高的可逆比容量和最优的倍率性能，即综合电化学性能最优。
　　本研究还利用氨基葡萄糖为含氮碳源，通过水热和高温碳化法制备了四氧化三铁/氮掺杂碳/氮掺杂石墨烯（Fe3O4/NC/NG）复合材料。宏观照片、SEM和BET的分析结果表明：该复合材料具有三维多孔网络结构；TEM观察得到Fe3O4纳米颗粒均匀的镶嵌在石墨烯-碳层上，粒径为8nm左右；压缩性能测试显示，Fe3O4/NC/NG复合材料具有极好的柔韧性和结构稳定性。Fe3O4/NC/NG电极材料在200mA/g的电流密度下，循环100次后的可逆比容量为905mAh/g，具有95%的容量保持率；当电流密度为1A/g时，材料的可逆比容量为628mAh/g；与Fe3O4/C/G和Fe3O4/G相比，Fe3O4/NC/NG复合材料的循环性能和倍率性能显著提高，且优于文献报道的绝大多数类似的复合材料。Fe3O4/NC/NG复合材料独特的三维多孔结构赋予了材料优异的储锂性能，且超轻、柔韧的特点，使其在锂离子电池电极材料应用于可穿戴设备上具有广阔的发展前景。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2锂离子电池的发展、组成及工作原理

1.2.1锂离子电池的发展简史

1.2.2锂离子电池的组成及工作原理

1.3锂离子电池负极材料

1.3.1负极材料的特征

1.3.2负极材料的分类

1.3.3硅/碳负极材料的研究进展

1.3.4四氧化三铁/碳负极材料的研究进展

1.4课题的研究背景、内容及意义

1.4.1课题的研究背景及意义

1.4.2课题的研究内容

1.4.3课题的创新点

第二章 NG/Si@NC复合材料的制备及锂电性能研究

2.1引言

2.2实验材料及方法

2.2.1实验过程

2.2.2材料表征及测试

2.3实验结果与讨论

2.3.1 NG/Si@NC的制备与形成机理

2.3.2 NG/Si@NC复合材料的表征

2.3.3 Si含量对NG/Si@NC复合材料微观形貌和结构的影响

2.3.4 NG/Si@NC复合材料的电化学性能

2.3.5 NG/Si@NC复合材料循环后的微观形貌

2.3.6 Si含量对NG/Si@NC复合材料电化学性能的影响

2.4小结

第三章 Fe3O4/NC/NG复合材料的制备及锂电性能研究

3.1引言

3.2实验材料及方法

3.2.1实验过程

3.2.2材料表征及测试

3.3实验结果与讨论

3.3.1 Fe3O4/NC/NG复合材料的形态与结构

3.3.2 Fe3O4/NC/NG复合材料的力学性能

3.3.3 Fe3O4/NC/NG复合材料的电化学性能

3.4小结

第四章 全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢