超薄二維材料的制備及其作為鋰-鈉離子電池負極材料的研究.pdf

1、金屬氧化物作為電池電極材料具有較高的理論容量（~1000 mAh g-1），但這類材料的實際應用存在著兩大問題：一、循環(huán)穩(wěn)定性較差：鋰離子嵌入金屬形成合金的過程中會產(chǎn)生極大的體積膨脹（~400％），鋰離子反復插入/脫嵌易使材料的晶體結構粉化團聚，最終引發(fā)電化學性能的衰減；二、電池高倍率性能偏差：一般金屬氧化物本身是電的不良導體，制備電極的過程中需要加入大量的導電劑，當充放電電流密度增大，不能形成離子和電子的快速傳輸通道，電化學性能也會快

2、速衰減。目前，對于金屬氧化物電極材料的研究探索主要集中在改善導電性，抑制充放電過程中體積變化，防止材料結構坍塌、顆粒團聚等方面。本論文選取了兩種典型的金屬氧化物電極材料MoO3和SnO2，通過降低材料的維度和與導電性優(yōu)良的石墨烯復合兩種思路來改進它們的儲鋰和儲鈉電化學性能。主要內容包括：
　?。?）采用超聲液相剝離法制備超薄二維MoO3納米片。利用層狀α-MoO3作為原料，IPA和水的混合液做溶劑，并優(yōu)化兩種溶劑的配比（IPA：水

3、=5：5）。結果顯示層狀的α-MoO3被成功的剝離，得到的MoO3納米片片層大小在0.5~1μm間，厚度為2~6nm。電化學性能測試顯示作為鋰電的負極材料，MoO3納米片具有很高的可逆容量。30次循環(huán)保持在1110mAh g-1，幾近于α-MoO3的理論容量，同時還表現(xiàn)出良好倍率性能。這是因為剝離后的MoO3納米片具有超薄的二維納米結構，可以有效的減小鋰離子的遷移路徑，實現(xiàn)離子在電極表面快速的擴散。
　?。?）通過水熱法和熱處理的

4、方法制備得到了二維鉬氧化物納米片垂直生長在石墨烯片層表面的三維復合材料（MoOx-p-G）。鉬氧化物（MoOx）的二維納米片均勻的分布在石墨烯表面，厚度約20nm，片層寬度在50~150nm，主要由MoO2和MoO3兩相組成。無添加導電劑和粘結劑，直接用做鋰電和鈉電電極材料均表現(xiàn)出良好的電化學性能。作為鋰電負極時，MoOx含量79%的復合材料電極30次循環(huán)后容量保持在835 mAh g-1，作為鈉電負極時，容量保持在200 mAh g-

5、1左右。良好的電化學性能得益于材料的微觀結構，垂直生長在石墨烯表面的MoOx納米片有利于提供更多的鋰離子遷移路徑和更加電解液的浸潤，納米片之間的間隔又可以提供鋰離子嵌入后產(chǎn)生體積膨脹的緩沖空間。
　　（3）利用石墨烯的二維特性，以其為模板最終制備得到SnO2包覆石墨烯的中空納米片（SnO2-h-G）。得到的納米片保持了石墨烯的二維特性，SnO2在復合材料表面以納米顆粒的形式均勻覆蓋，粒徑在3~10 nm。通過BET測試其比表面積為

6、216.6 m2/g，證實了復合材料中還有微孔，中孔和大孔，主要以中孔形式存在。SnO2-石墨烯中空納米片結構可以最大化的利用石墨烯的表面積，實現(xiàn)SnO2在復合材料中均勻分布且含碳量達到最小，中空部分可以為SnO2在充放電過程中產(chǎn)生的體積膨脹提供緩沖空間。SnO2-h-G作鋰電負極的電化學性能與純SnO2電極相比，可逆容量提高了200mAh g-1，說明石墨烯在其中起到了一定的提高電化學性能的作用。
　?。?）通過水熱一步法制備了

7、SnO2均勻負載在石墨烯表面的納米片復合材料，并考察了水熱合成時pH值對產(chǎn)物電化學性能的影響。發(fā)現(xiàn)當pH=1.0時，在400℃熱處理的樣品表現(xiàn)出最好的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。在這一條件下制得的復合材料保持了石墨烯的片層結構，SnO2均勻負載在石墨烯表面，粒徑分布在2~5nm。SnO2-G-400作鋰電負極時表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，經(jīng)過80次循環(huán)后，容量保持在942 mAh g-1，當電流密度增大至200和800 mA g-1時。良好的循環(huán)