石墨烯基金屬氧化物的儲鋰性能研究.pdf

1、鋰離子電池作為一種有效的電化學(xué)存儲裝置，已廣泛應(yīng)用于人類的日常工作生活中，如各種便攜式電子設(shè)備、電動自行車、電動汽車等。與傳統(tǒng)電池相比，鋰離子電池能量密度（120-170Wh kg?1）高、壽命長、安全系數(shù)也相對較高。然而，要單獨在一些大功率的驅(qū)動裝置（如電動汽車）或一些需要快速充電的電子設(shè)備上使用，其功率密度還較低，難以滿足需求。因此，同時實現(xiàn)高功率、高能量密度和快速充電仍然是發(fā)展鋰離子電池的一個偉大工程和艱難挑戰(zhàn)。鋰離子電池的工作原

2、理是在充電/放電過程中鋰離子在電極/電解質(zhì)界面的可逆嵌入和脫出，這在很大程度上依賴于電極材料的快速動力學(xué)，包括法拉第電阻、鋰離子的傳輸速率、導(dǎo)電性等。因此，提升電極材料物理化學(xué)性能對鋰離子電池的發(fā)展尤為關(guān)鍵，建立大功率鋰離子電池的關(guān)鍵是開發(fā)具有高導(dǎo)電率和大比表面積的新材料或設(shè)計良好的納米結(jié)構(gòu)以縮短鋰離子的遷移長度。石墨烯具有優(yōu)越的導(dǎo)電性、機械柔韌性、化學(xué)穩(wěn)定性和巨大的比表面積，因此是非常具有潛力的候選材料。
　　在此基礎(chǔ)上，本論文

3、主要對以下幾個方面的內(nèi)容進行了研究：
　　1.概述鋰離子電池的發(fā)展歷程、工作原理、產(chǎn)品特點、組成結(jié)構(gòu)、電極材料的研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點，比較了目前研究較多的幾種負(fù)極材料。單一的金屬氧化物在循環(huán)過程中體積膨脹較大，易發(fā)生粉化現(xiàn)象，導(dǎo)致電極材料與集流體之間接觸不良，影響其循環(huán)穩(wěn)定性能。利用石墨烯納米復(fù)合物的協(xié)同效應(yīng)，可以有效的提升電極的物理化學(xué)性能，從而提升鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
　　2.詳細(xì)描述了測試鋰離子電池的物理、電

4、化學(xué)性能的實驗方法和儀器設(shè)備。
　　3.利用一步水熱法制備了生長在鈦片上的花狀鉬酸鋅（ZnMoO4）、碳復(fù)合的鉬酸鋅（ZnMoO4/C）和石墨烯鉬酸鋅復(fù)合物（ZnMoO4/G）。通過XRD和SEM表征，證實所得鉬酸鋅是三斜晶系，且均是由納米棒組成的花狀結(jié)構(gòu)。對比研究了三種材料的儲鋰性能，ZnMoO4/G、ZnMoO4/C和ZnMoO4的第一圈放電比容量分別是2398mAh g-1、1970mAh g-1、1864mAh g-1。在

5、恒流充放電測試中，ZnMoO4/G的倍率性能均優(yōu)于ZnMoO4和ZnMoO4/C，且ZnMoO4/G循環(huán)110圈后放電比容量仍能達(dá)到649mAh g-1，而ZnMoO4、ZnMoO4/C分別只有283mAh g-1和359mAhg-1，由此可以看出，石墨烯的加入明顯提高了ZnMoO4的循環(huán)穩(wěn)定性。借助交流阻抗技術(shù)分析其性能增強機理，證實在復(fù)合石墨烯以后，電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小，鋰離子擴散系數(shù)增大，因此提高了電極材料的電導(dǎo)率，進而有利于鋰離子的

6、遷移，提高其儲鋰性能。此外，與傳統(tǒng)電極材料涂覆工藝相比，直接生長在鈦片上的電極不僅大量簡化了電池組裝工藝，更有利于實際應(yīng)用，而且在很大程度上提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　4．利用簡單的一步水熱法成功制備SnO2納米空心球，并借助APTS修飾空心球表面，成功制備了還原氧化石墨烯包覆的SnO2納米空心球（SnO2-G）。通過XRD、SEM和TEM等表征發(fā)現(xiàn)，所得產(chǎn)物均是正方金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2，微觀形貌呈中空球狀，尺寸在300-500

7、nm之間，成球均勻。還原氧化石墨烯包覆后仍呈中空球狀，尺寸并未發(fā)生較大變化，且其表面不平整，有一些紋理和褶皺，邊緣具有一層碳結(jié)構(gòu)。對比研究了SnO2和SnO2-G的儲鋰性能，發(fā)現(xiàn)SnO2-G在1A g-1電流密度下循環(huán)70圈后放電比容量仍能達(dá)到585mAh g-1，而SnO2的放電比容量只有306mAh g-1。借助交流阻抗測試技術(shù)分析其性能提升機理，結(jié)果表明SnO2-G的電荷轉(zhuǎn)移阻抗（74.69Ω）小于SnO2的電荷轉(zhuǎn)移阻抗（113.