石墨烯基氧化钴复合纳米材料的制备及储能应用研究

摘要

锂离子电池和电化学电容器是重要的能源存储设备，在电子设备以及电动汽车等领域有重要的应用需求。随着社会的发展，人们对于能源存储设备的性能要求日益提高，因此如何设计高性能的锂离子电池和电化学电容器越来越受到重视，其中电极材料是储能设备性能优劣的关键。钴氧化物(Co3O4、CoO及Co(OH)2)是重要的电极材料之一，可以同时用于锂离子电池和电化学电容器。钴氧化物储能应用的优点是理论容量高，缺点是导电性差、体积变化大，从而导致其容量衰减快。尽管钴氧化物储能应用研究已有较多报道，但是仍不能满足目前电子设备及电动汽车的应用需求。为提高钴氧化物的电化学性能，本文设计制备了石墨烯基钴氧化物复合纳米材料，着重考察了复合材料形貌、结构的变化规律以及组分之间的界面交互作用，并在此基础上测试其电化学性能以及影响电化学性能的关键因素。 通过原位沉淀方法制备出Co(OH)2/GNS复合材料，Co(OH)2为结构稳定的β-Co(OH)2，呈现六方片形，大小约为130nm，厚度约为20nm，Co(OH)2垂直于石墨烯生长，垂直生长面为其(001)面，而且Co(OH)2片层与石墨烯之间存在Co-C共价键连接。研究了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能，50mA/g电流密度下，复合材料首次放电容量为1686.0mAh/g，首次可逆充电容量是976.5mAh/g，50次循环后可逆容量是1103mAh/g;电流密度为1A/g时，首次放电容量和充电容量为496.1 mAh/g和449.4mAh/g。 然后，以六方片状Co(OH)2/GNS复合材料为前驱物，在300-500℃温度范围下热处理，得到不同的多孔CoO纳米片/GNS复合材料，复合材料六方片层的直径约为50～100nm，片层上有孔分布。炭化温度为500℃时，复合材料具有最佳的电化学性能，首次放电容量为1015.5mAh/g，循环60次后，比容量为1398.7mAh/g。 同时，采用铝元素掺杂的方法调控氢氧化钴纳米片的形貌，研究了铝的加入量对其形貌及电化学性能的影响。其中Co∶ Al比例为2∶1时，大小均一的六方片状负载于石墨烯片层上，复合材料此时具有最优异的循环性能，0.1A/g电流密度下最大容量为675.7F/g。 此外，以Co(NO3)2/GNS复合材料为原料通过原位热解法制备了氧化钴/石墨烯复合材料。热解温度大于200℃时，得到的复合材料中氧化钴为直径30-50nm的颗粒，均匀地锚定在石墨烯纳米片上，并且氧化钴与石墨烯纳米片之间存在Co-O-C共价键。200℃时得到的氧化钴/石墨烯复合材料的电化学性能最为优异，0.1A/g电流密度下循环500次后容量为540F/g。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 石墨烯相关介绍

1．2．1 简介

1．2．2 石墨烯结构

1．2．3 石墨烯制备及改性

1．2．4 石墨烯表征方法

1．2．5 石墨烯在储能方面的应用

1．3 氧化钴／石墨烯复合材料

1．3．1 氧化钴的简介

1．3．2 电化学性能

1．3．3 制备方法

1．4 氢氧化钴／石墨烯复合材料

1．4．1 氢氧化钴的简介

1．4．2 研究进展

1．5 选题的目的和意义

1．6 本课题的主要研究内容

第二章 实验与测试方法

2．1 研究方案

2．2 主要实验材料

2．3 主要实验仪器和设备

2．4 实验方法

2．4．1 氢氧化钴／石墨烯复合材料制备

2．4．2 铝掺杂氢氧化钴／石墨烯复合材料的制备

2．4．3 氧化钴／石墨烯复合材料的制备

2．5 主要分析表征手段

2．5．1 扫描电子显微镜

2．5．2 X射线衍射测试

2．5．3 透射电镜

2．5．4 高分辨透射电镜

2．5．5 热重分析测试

2．6 电化学测试

2．6．1 LAND测试系统

2．6．2 循环伏安测试和交流阻抗测试

2．6．3 电容器及电池的组装

第三章 氢氧化钴纳米片／石墨烯复合材料的制备及储锂性能

3．1 石墨烯的制备及表征

3．2 氢氧化钴／石墨烯复合材料形貌及其影响因素

3．2．1 反应时间的影响

3．2．2 碱浓度的影响

3．2．3 样品配比的影响

3．2．4 纯氢氧化钴

3．3 氢氧化钴／石墨烯复合材料结构分析

3．3．1 XRD分析

3．3．2 XPS分析

3．3．3 TG-DSC测试

3．4 电化学测试

3．4．1 恒流充放电及循环伏安测试

3．4．2 交流阻抗测试

3．5 本章小结

第四章 多孔氧化钴纳米片／石墨烯复合材料的制备及储锂性能

4．1 450℃炭化产物

4．1．1 炭化产物形貌表征

4．1．2 炭化产物结构表征

4．1．3 炭化产物的TG-DSC测试

4．1．4 炭化产物电化学性能

4．2 炭化温度对复合材料的的影响

4．3 本章小结

第五章 铝掺杂氢氧化钴／石墨烯复合材料的制备及电容性能

5．1 复合材料形貌

5．2 复合材料结构表征

5．3 复合材料的电化学性能

5．4 本章小结

第六章 氧化钴纳米颗粒／石墨烯复合材料的制备及电容性能

6．1 炭化温度对复合材料形貌与结构的影响

6．2 炭化温度对复合材料电化学性能的影响

6．3 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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