新型石墨烯基纳米材料应用于锂离子电池和锂硫电池

摘要

锂离子电池是当下使用最为广泛的二次电池，但其负极材料却面临着能量密度低、循环寿命差、倍率性能不高等问题。为解决这些问题，开发高比能、长寿命新型负极储能材料将显得十分关键。锂硫电池的理论比容量高达1675 mA h g-1，是目前备受关注的二次电池。然而，当前锂硫电池硫正极材料的发展仍面临着诸多问题，比如导电率差、体积膨胀严重、多硫化物易溶解等。而解决上述问题，关键在于研发导电率高、硫封装能力好、可适应体积膨胀以及较好地抑制多硫化物溶解的新型硫载体材料。本论文以叔丁基胺硼烷和离子交换树脂为前驱体，在过渡金属的催化下，通过一步高温催化裂解合成了两种新型石墨烯基纳米材料。该两种新型石墨烯基纳米材料应用于锂离子电池负极和锂硫电池正极时，能有效地解决锂离子电池负极和锂硫电池正极所存在的问题。具体的研究内容如下:　　1.以含有氮、硼原子的叔丁基胺硼烷为前躯体，在金属钴的催化下，通过简易的一步高温催化裂解法，合成了新型三维褶皱氮硼双元自掺杂石墨烯。三维褶皱结构可减少石墨烯的团聚，原子掺杂形成的大量活性缺陷能有效地提高Li+的吸附和扩散，从而较好地提升锂离子电池负极的容量和循环稳定性。作为锂离子电池负极材料时，该电极材料(NBGs-1000)在50 mAg-1充放电下，可逆比容量高达909 mAh g-1。在大电流密度500 mA g-1下循环充放电500圈的每循环衰减率仅为0.064％。同时，1 Ag-1和2Ag-1放电速率下的倍率性能优异，分别为429 mAh-1和318 mAh-1。　　2.以离子交换树脂为前驱体，通过交换镍和钴作为双元催化剂，一步高温催化裂解合成了碳纳米管簇原位生长于三维多孔网状石墨烯复合材料(CNTs@3DG)。三维多孔网状石墨烯可为碳纳米管提供独特的多维支撑结构，且碳纳米管簇原位生长于三维多孔网状石墨烯中，与石墨烯层壁相互“锚定”，形成了稳定的碳纳米管与石墨烯相互连接的三维结构，这为锂离子和电子的传输提供了便捷的通道。此外，经KOH活化后的CNTs@3DG复合材料具有丰富的微孔、介孔和大孔结构，比表面积高达1673 m2 g-1，粉末导电率也高至1055 S m-1。在100 mA g-1充放电下，CNTs@3DG复合负极表现出超高的可逆比容量(1132 mA h g-1)，200圈充放电后的容量保持率为93％。更显著地，在大电流密度1 Ag-1和2Ag-1充放电下，1000圈循环过程中，每圈的容量衰减率仅为0.017％和0.025％。　　3.碳纳米管簇原位生长于三维多孔网状石墨烯复合材料可作为高效的锂硫电池硫载体材料(3DG-CNTs)。与三维石墨烯内层交互相连的簇状碳纳米管可通过毛细作用，以减少高载硫时的硫团聚现象。另外，丰富的孔结构、以及CNTs簇与三维网状石墨烯形成的限域空间，能抑制多硫化物的溶解，减少充放电过程中产生的“穿梭效应”以提高硫的利用率。在81.6％高载硫量时，3DG-CNTs/S正极在电流倍率为0.5 C和1C充放电下，首圈比容量分别为1229 mA h g-1和1190 mA h g-1。在500圈充放电过程中，每圈的容量衰减率仅为0.044％和0.059％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯的基本概述

1．2．1 石墨烯的基本特性

1．2．2 石墨烯的制备方法

1．2．3 原子掺杂石墨烯

1．2．4 石墨烯／碳纳米管复合材料

1．3 锂离子电池的基本概述

1．3．1 锂离子电池的工作原理

1．3．2 锂离子电池的特点

1．3．3 锂离子电池负极材料的研究进展

1．4 锂硫电池的基本概述

1．4．1 锂硫电池的充放电过程原理

1．4．2 锂硫电池待解决的问题

1．4．3 锂硫电池正极材料的研究进展

1．5 本论文的研究意义和主要内容

2．1 实验材料与化学试剂

2．2 实验所用仪器与设备

2．3 材料物性表征

2．3．8 透射电镜分析(TEM)

2．4 电化学表征

2．4．1 锂离子电池的电化学表征

2．4．2 锂硫电池的电化学表征

第三章 三维褶皱氮硼双元自掺杂石墨烯的制备及其应用于锂离子电池负极材料的研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．2．1 NBGs的制备过程

3．2．2 NBGs的物理表征

3．2．3 电极材料制备、电池组装以及电化学测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 NBGs生长机理分析

3．3．2 SEM和TEM形貌分析

3．3．3 XRD、Raman、BET、XPS以及EDS基本特性分析

3．3．4 电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 碳纳米管簇原位生长于三维多孔网状石墨烯复合材料的制备及其应用于锂离子电池负极材料的研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．2．2 材料的物理表征

4．2．3 电极材料制备、电池组装以及电化学测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 CNTs@3DG生长机理分析

4．3．2 SEM和TEM形貌分析

4．3．3 XRD、Raman、比表面积和孔径分布、粉末导电率以及XPS基本特性分析

4．3．4 电化学性能分析

4．3．5 充放电后的SEM和TEM形貌分析

4．4 本章小结

第五章 碳纳米管簇原位生长于三维多孔网状石墨烯复合材料在锂硫电池正极材料中的应用

5．1 引言

5．2 实验过程

5．2．1 3DG-CNTs／S正极材料的制备过程

5．2．2 材料的物理表征

5．2．3 电极材料制备、电池组装以及电化学测试

5．3 结果与讨论

5．3．1 TGA、XRD、Raman和XPS特性分析

5．3．2 SEM和TEM形貌分析

5．3．3 BET和孔径分布分析

5．3．4 电化学性能分析

5．3．5 充放电后的SEM和TEM形貌分析

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 本论文的创新亮点

6．3 研究展望

参考文献

攻读学位期间参与的科研项目

攻读学位期间发表的科研论文及专利

致谢