基于纤维素/石墨烯复合气凝胶的水系锌离子电池正极材料制备与性能

摘要

近年来，人们生活中越来越多地应用了电子产品，在目前所应用的设备中，电池是使用最广泛的储能器件。然而以当下应用最多的锂离子电池为例，仍有诸多不可忽视的缺点，例如有机电解液的使用安全性较低、生产条件苛刻等。在各项针对这些缺点的研究中，水系锌电池作为代表，其安全性与易制备性受到广泛的认可。因此，本论文以水系锌离子电池作为研究对象，探究通过纤维素、石墨这类来源广泛且环境友好的材料制备正极材料的可能性，并对所制备的电极进行了系统的研究。本论文具体的研究内容包含了以下三个部分：　　一、以纤维素纳米纤维(CNF)与石墨烯纳米片(GNP)进行物理共混制备 CNF/GNP复合气凝胶，并在气凝胶孔隙中化学法生长聚吡咯(PPy)作为活性物质以制备水系锌离子电池正极。相比于传统电极材料，纤维素气凝胶主体不仅提供了多孔、亲水的内部结构，在环境友好方面更具有应用价值。CNF所形成的电极材料骨架具备良好的机械强度，通过调控 GNP的含量以增强 CNF的导电性及 PPy的掺杂度。其结果是以CNF/GNP的质量比为7/3的气凝胶作为基底得到的水系锌离子电池正极材料在1 A/g的电流密度下具有159.4 mAh/g的质量比容，且具有较好的倍率性能，在500次充放电循环后仍具有85.0%的保容率。相比于传统电极材料，纤维素气凝胶主体不仅提供了多孔、亲水的内部结构，在环境友好方面更具有应用价值。　　二、通过在水热反应过程中使用还原性较弱的抗坏血酸对氧化石墨烯进行还原，使其在还原过程中自组装成为具备自支撑能力的石墨气凝胶，并在其中共混PANI作为锌离子电池电极的活性物质。以这种方法制备的石墨烯气凝胶基底不仅保留了传统石墨烯涂层的导电性，还在形成了三维立体的导电结构，大大增加了其比表面积。除此之外，该实验中尝试以rGO和CNF作为PANI的“纳米生长点”，在其表面原位聚合以改变PANI的形貌及掺杂度。其结果表明，“纳米生长点”法制备的PANI在作为活性物质时其电化学性能优于普通化学合成的PANI。其中以CNF作为“纳米生长点”的样品具有更高的机械强度，以 rGO 作为“纳米生长点”的电极材料容量更高，达到136.1 mAh/g，并具有较好的倍率性能，能适用于较高输出功率的场合。以rGO作为“纳米生长点”的样品在500次充放电循环后仍具有83.5%的保容率。　　三、使用石墨烯/CNF 复合气凝胶作为基底，通过电化学沉积的方式生长二氧化锰作为活性物质，制备水系锌离子电池的正极材料。该实验中为了使石墨烯气凝胶内部的孔洞可以相互贯通，在制备石墨烯气凝胶基底时引入亲水的CNF，在石墨烯片层间制造亲水通道，以便于沉积液与电解液的浸润。结果表明，采用这种方法制备电极材料，二氧化锰可以均匀的包覆在石墨烯片层的表面。通过对沉积 15分钟的样品进行测试，其在1 A/g时具有88.7 mAh/g的质量比容，在300次充放电循环后保容率为66.7%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2锌电池简介

1.3气凝胶简述

1.4本课题的研究意义及研究内容

第二章 纳米纤维素复合气凝胶/聚吡咯柔性锌离子电池正极材料的制备与性能

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

第三章 石墨烯气凝胶复合聚苯胺水系锌离子电池正极材料的制备与性能

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

第四章 石墨烯复合气凝胶/二氧化锰水系锌离子电池正极材料的制备与性能

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢