三氧化钼/石墨烯复合材料的制备及其储锂性能研究

摘要

作为锂离子电池电极材料，炭材料以其高度的稳定性和良好的循环性能引起了世界范围内的广泛关注和研究，成为目前世界上唯一商业化大量使用的负极材料。在其他众多的电极材料中，过渡金属氧化物作为一种新型负极材料逐渐引起科学家们的关注。
　　过渡金属氧化物理论容量高，但是循环性能不稳定。其中，钼基氧化物负极材料结构多变、种类丰富、理论比能量高，在锂离子电池负极材料方面具有较大的潜力，但如何制备具有高比容量、优良循环以及倍率性能的钼基氧化物负极材料仍面临巨大挑战。本工作着眼于将三氧化钼与具有优异导电能力的石墨烯相结合，通过改变复合材料的结构来改善两种材料单独使用时存在缺点，以便实现良好的循环稳定性、高储锂能力和长久的循环寿命。
　　本研究首先通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯，再使用水热法制备三氧化钼/氧化石墨烯复合材料，最后通过高温热还原处理获得了三氧化钼/石墨烯复合材料，并分析比较了原料配比和热还原温度对复合材料形貌、结构以及电化学性能的影响;采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重分析(TG-DTA)和拉曼光谱等测试手段对复合物材料进行表征;利用充放电测试考察复合电极材料的可逆容量、倍率性能等电化学性能，阐明了复合材料结构、性能与电化学行为之间的关系。研究结果表明，高温还原反应后的三氧化钼/石墨烯复合材料保持了石墨烯的层状结构且表面光滑平整，三氧化钼颗粒均匀分散在片层之间而形成C-Mo-C夹层结构。同时，纯的三氧化钼颗粒存在团聚现象，复合材料中三氧化钼团聚粒径由400 nm下降为30 nm左右。复合材料电极的首次放电容量达到922.9 mAh·g-1，可逆容量为424.8 mAh·g-1，30次循环后可逆容量为277.5mAh·g-1，其库伦效率达到98.3％。
　　高温还原处理温度从400℃提升到600℃和800℃后，复合材料结构出现团聚和一定的坍塌，随着还原温度的升高，样品中部分三氧化钼由颗粒状向棒状和片状转变，受结构变化的影响，对应电极的循环性能有所降低，首次充放电容量逐渐降低。增加原料中三氧化钼比例，三氧化钼颗粒团聚而影响电化学性能，致使样品首次放电容量逐渐降低，三氧化钼比例最低样品的首次放电容量为1576 mAh·g-1，可逆容量达到787.0 mAh·g-1。经过30次电流密度为50 mA·g-1的循环后，样品的可逆比容量都在229.6 mAh·g-1以上。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 锂离子电池概论

1．2．1 锂离子电池的工作原理

1．2．2 锂离子电池的机理

1．2．3 锂离子电池的研究现状

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 负极材料概述

1．3．2 硅基负极材料

1．3．3 锡基负极材料

1．3．4 金属氧化物负极材料

1．3．5 碳基负极材料

1．3．6 其他负极材料

1．4 锂离子电池正极材料

1．5 锂离子电池电解质材料

1．6 金属氧化物／复合材料的制备方法

1．6．1 共沉淀法

1．6．2 化学气相沉积法

1．6．3 水热合成法

1．6．4 其他合成方法

1．7 本课题的选题依据和主要研究内容

1．7．1 论文选题的目的和意义

1．7．2 本课题的主要研究内容

第二章 实验与测试方法

2．1 实验方案

2．2 实验所用化学试剂

2．2．1 复合材料合成原料

2．2．2 锂离子电池的制备

2．3 实验过程中所用仪器设备

2．4 样品测试与表征

2．4．1 X射线衍射分析(XRD)

2．4．2 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．3 热重-示差扫描分析(TG-DSC)

2．4．4 拉曼光谱(Raman)

2．5 样品电化学性能测试

2．5．1 模拟电池的组装

2．5．2 循环充放电性能测试

2．5．3 交流阻抗谱测试

第三章 三氧化钼／石墨烯复合材料的制备

3．1 氧化石墨烯的制备

3．2 三氧化钼／石墨烯复合材料的制备

3．3 三氧化钼／石墨烯复合材料形貌结构

3．3．1 三氧化钼／石墨烯复合材料晶体结构

3．3．2 三氧化钼／石墨烯复合材料微观形貌

3．3．3 三氧化钼／石墨烯复合材料各组分含量

3．4 还原温度对三氧化钼／石墨烯复合材料结构性能的影响

3．4．1 还原温度对三氧化钼／石墨烯复合材料晶体结构的影响

3．4．2 还原温度对三氧化钼／石墨烯复合材料微观形貌的影响

3．4．3 不同还原温度对三氧化钼／石墨烯复合材料微观结构的影响

3．5 原料比例对三氧化钼／石墨烯复合材料结构性能的影响

3．5．1 原料比例对三氧化钼／石墨烯复合材料晶体结构的影响

3．5．2 原料比例对三氧化钼／石墨烯复合材料微观形貌的影响

3．6 小结

第四章 三氧化钼／石墨烯复合材料电化学性能研究

4．1 锂离子电池负极材料的制备

4．2 三氧化钼／石墨烯复合材料充放电性能研究

4．3 还原温度对三氧化钼／石墨烯复合材料电化学性能的影响

4．4 原料比例对三氧化钼／石墨烯复合材料电化学性能的影响

4．5 小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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