磷酸铁锂及（铈、锡）氧化物/石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

摘要

高输出电压、大比容量、高能量密度、环境友好、无记忆效应、循环寿命长等优点，使锂离子二次电池广泛应用于各种便携式电器，而锂离子电池正极材料的性能直接影响电池的性能，是锂离子电池的关键材料。此外，石墨烯由于其独特的结构和优异的性能，使得石墨烯复合材料在锂电池负极材料方面有重要的应用前景。本文利用溶剂热法制备了锂离子电池正极材料磷酸铁锂;利用微波法和水热法分别制备了氧化铈（/石墨烯复合材料）和氧化锡/石墨烯复合锂电池负极材料。具体内容如下:
　　(1)以氢氧化锂、硫酸亚铁、磷酸和抗坏血酸Vc为主要原料，利用溶剂热法制备了菱形的磷酸铁锂，并以葡萄糖为碳源对其表面进行碳包覆，得到LiFePO4/C。利用XRD、SEM和TEM对材料进行物相、形貌和结构分析，用电池测试系统对材料进行了电化学性能测试，并探讨了反应物摩尔比、抗坏血酸Vc用量和聚乙二醇20000用量对产物结构和形貌的影响。实验结果表明:反应物的最佳摩尔比为nLi∶nFe∶nP∶nVc=3∶1∶1∶0.5，PEG20000的最佳用量为0.4 g。在最佳条件下制得的磷酸铁锂在0.1 C时的首次放电比容量可达151.1 mAh/g，首次库伦效率达93.87％;其倍率性能和CV测试结果也表明材料在不同倍率下仍有较高的比容量和循环稳定性。
　　(2)通过水热法和微波法分别合成了多孔氧化铈和氧化铈/石墨烯复合材料，其中多孔氧化铈的合成是以氧化石墨为模板，通过水热法获得前驱体，再通过高温煅烧得到多孔氧化铈，对其进行了XRD、SEM、TEM、BET表征和吸附、电催化及电池性能测试，材料的性能测试结果表明:制备的多孔氧化铈对有机染料有优异的吸附性能，对L-半胱氨酸有良好的电催化能力，在锂离子二次电池领域也有一定的应用价值;借助微波法合成了氧化铈/石墨烯复合材料，并对其进行了物相、形貌和结构分析，该制备方法快速、能耗低、产物无需后处理，是一种理想的制备石墨烯复合材料的方法。
　　(3)以氯化亚锡为锡源，水热法制备了氧化锡/石墨烯复合材料，SEM和TEM表征结果表明氧化锡纳米颗粒均匀负载在石墨烯片层上，颗粒大小为～13 nm。电池测试结果表明:在200 mAh/g的电流密度下，材料的首次放电比容量为2576.5 mAh/g，首次的库仑效率为57％，经过50次循环后，充放电的比容量分别为993.2 mAh/g和1002.4 mAh/g，远高于石墨负极的理论容量(372 mAh/g)。材料的倍率性能测试结果表明在经历了大电流密度下的循环充放电后，仍保持较高的电化学活性，并用循环伏安测试研究了电池反应的机理。