基于石墨烯改性的锂(钠)离子电池负极材料与正极材料的研究

摘要

石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维材料，具有优异的电学、力学以及热学性能，是与电化学活性物质复合的理想基体，在锂（钠）离子电池电极材料上具有良好的应用前景。
　　本文通过水（溶剂）热法，制备石墨烯基负极、正极复合材料，详细研究了石墨烯的引入对材料微观结构的影响，复合材料微观结构与电化学性能之间的关系，并探索了石墨烯在改善正、负极材料储锂（钠）性能上的作用机理。
　　电极材料的微观结构对其性能有很大影响，利用石墨烯(G)可以获得具有特殊微观形貌的电极材料。本文采用一步水热法制备了超薄NiS/G二维复合材料，并详细分析了其生长机理。相对于单纯NiS展现出的由纳米棒团聚而成的纳米花形结构，NiS/G复合材料展现出独特的片-片复合二维层状结构，NiS片层厚度小于5 nm，石墨烯层数小于8层。研究发现，在水热反应过程中，石墨烯表面的含氧残基与NiS纳米棒表面的含硫残基形成新的共价键，将NiS纳米棒逐步剥离成纳米片，形成新型超薄二维复合材料。
　　本文研究了NiS/G复合物作为负极材料在锂离子及钠离子电池上的应用。研究表明，在储锂方面，NiS/G复合物在50 mA/g充放电流密度下，经过100次循环依然保持481 mAh/g的可逆容量，高达其理论容量（约500 mAh/g）的96.2％;而单纯NiS在10次循环后容量迅速衰减为140 mAh/g。在储钠方面，NiS/G复合物在400 mA/g的充电流密度下经过10次循环后，容量保持在150 mAh/g以上，而单纯NiS则不到80 mAh/g。在负极复合材料中，石墨烯不仅可以缓冲充放电过程中的体积效应，还能形成导电网络提升导电性，并且在长时间循环过程中保持材料良好的分散性，从而显著提高材料的循环稳定性及倍率性能。
　　本文采用溶剂热法合成了LiFePO4/G复合材料。研究发现，LiFePO4颗粒均匀地镶嵌在石墨烯片层上，尺寸在100 nm以下。在5C电流密度下，LiFePO4/G复合材料的可逆容量高达105 mAh/g，而单纯LiFePO4仅有65 mAh/g的容量。在正极复合材料中，石墨烯形成的柔性三维连续导电网络不仅弥补了LiFePO4导电性较差的不足，并且改善了电极材料与电解液的浸润性，使得复合材料表现出良好的大电流倍率性能。

目录

声明

摘要

第一章 概论

1．1 锂离子电池的简介

1．1．1 锂离子电池发展简史

1．1．2 锂离子电池的工作原理

1．1．3 锂离子电池的优缺点

1．2 锂离子电池负极材料及研究进展

1．2．1 锡基负极材料

1．2．2 硅基负极材料

1．2．3 过渡金属氧化物负极材料

1．2．4 过渡金属硫化物负极材料

1．3 锂离子电池正极材料

1．3．1 正极材料的研究进展

1．3．2 磷酸铁锂正极材料

1．4 钠离子电池简介

1．4．1 钠离子电池负极材料

1．4．2 钠离子电池正极材料

1．5 本论文的立体依据及研究内容

第二章 实验方法

2．1 实验原材料

2．2 材料的物化表征

2．2．1 物相分析

2．2．2 形貌分析

2．2．3 热重分析

2．2．4 拉曼光谱分析

2．2．5 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．3 材料电化学性能测试

2．3．1 电极极片的制备

2．3．2 扣式锂离子半电池的组装

2．3．3 扣式钠离子半电池的组装

2．3．4 电化学性能测试

第三章 超薄NiS／石墨烯复合材料的制备

3．1 氧化石墨、石墨烯及NiS／石墨烯复合材料的制备

3．1．1 氧化石墨的制备

3．1．2 NiS／石墨烯复合材料的原位水热复合

3．1．3 NiS@石墨烯复合材料的非原位水热复合

3．2 NiS／石墨烯复合材料的表征

3．2．1 NiS／石墨烯复合物的物相表征

3．2．2 NiS／石墨烯复合物的形貌表征

3．3 NiS／石墨烯复合材料的生长机理

3．3．1 石墨烯含量对NiS／石墨烯复合物形貌的影响

3．3．2 反应时间对NiS／石墨烯复合材料形貌的影响

3．3．3 非原位复合Nis@石墨烯

3．3．4 NiS／石墨烯复合物二维形貌生长机理

3．4 本章小结

第四章 超薄NiS／石墨烯复合材料的电化学性能

4．1 NiS／石墨烯复合材料的储锂性能

4．2 NiS／石墨烯复合材料的储钠性能表征

4．3 本章小结

第五章 磷酸铁锂／石墨烯复合材料的制备及电化学性能

5．1 LiFePO4／石墨烯复合材料的制备

5．2 LiFePO4／石墨烯复合材料的表征

5．2．1 LiFePO4／石墨烯复合材料的物相表征

5．2．2 LiFePO4／石墨烯复合材料的形貌表征

5．3 LiFePO4／石墨烯复合材料的电化学性能表征

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术成果