石墨烯與SnO2復(fù)合物鋰離子電池負(fù)極材料的制備及性能研究.pdf

1、石墨是目前商業(yè)化鋰離子電池主要的負(fù)極材料，然而石墨電極材料儲(chǔ)鋰容量低，且倍率性能差。SnO2負(fù)極材料具有儲(chǔ)鋰容量高、嵌鋰電勢(shì)低、安全性高及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是非常具有潛力的新一代鋰離子電池負(fù)極材料。然而，SnO2在充放電過程中巨大的體積膨脹導(dǎo)致電極材料的循環(huán)性能及大電流密度下的充放電性能較差，限制了其實(shí)際應(yīng)用?；诖?，本論文提出以大鱗片石墨為原料，采用微波水熱法制備石墨烯，并以石墨烯為緩沖載體，制備SnO2/納米石墨片復(fù)合物、SnO

2、2/石墨烯納米復(fù)合物及SnO2@C/石墨烯三元復(fù)合材料，以期獲得具有優(yōu)異電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能的新型鋰離子電池負(fù)極材料。
　　以天然大鱗片石墨制備的膨脹石墨為前驅(qū)體，通過微波水熱法制備得到石墨烯。采用微波水熱法制備石墨烯不需添加任何輔助化學(xué)試劑，并且氧化石墨烯不用水洗至中性。研究結(jié)果表明：微波反應(yīng)壓強(qiáng)和微波反應(yīng)時(shí)間對(duì)氧化石墨烯還原程度的影響較大，在反應(yīng)壓強(qiáng)足夠大、反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)的條件下，反應(yīng)溫度的影響相對(duì)較小；當(dāng)反應(yīng)壓強(qiáng)大于1.5MPa、

3、反應(yīng)時(shí)間大于40min時(shí)，氧化石墨烯的還原程度較高。采用循環(huán)伏安、電化學(xué)阻抗及恒流充放電等測(cè)試手段研究石墨烯的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，研究表明，制備的石墨烯表現(xiàn)出較好的嵌/脫鋰性能和循環(huán)性能，100mA·g-1電流密度下，石墨烯電極材料的首次嵌/脫鋰比容量分別為2114mAh·g-1和1069mAh·g-1，循環(huán)100個(gè)周期后的可逆比容量為733mAh·g-1。
　　分別以納米石墨片及氧化石墨烯為緩沖載體，采用微波水熱法制備了SnO2/納

4、米石墨片復(fù)合材料和SnO2/石墨烯納米復(fù)合材料。制備的復(fù)合物電極材料的嵌/脫鋰性能、循環(huán)性能及倍率性能均優(yōu)于SnO2納米粒子及石墨烯負(fù)極材料。與SnO2/納米石墨片復(fù)合材料相比較，SnO2/石墨烯納米復(fù)合物表現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，尤其是當(dāng)復(fù)合物中SnO2納米粒子的含量約為73.28％時(shí)，其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的同類鋰離子電池負(fù)極材料，100mA·g-1電流密度下，恒流充放電100個(gè)周期后，SnO2/石墨烯電極材料的可逆比容

5、量達(dá)1358mAh·g-1，甚至在1000mA·g-1的電流密度下，循環(huán)1000個(gè)周期后電極材料的可逆比容量仍為677mAh·g-1，并且趨于穩(wěn)定。復(fù)合物中粒徑小于3.3nm的SnO2粒子能夠提供更大的比表面積，增加鋰離子的傳輸通道，與石墨烯復(fù)合后形成的多孔復(fù)合物結(jié)構(gòu)有利于電解液的滲透，對(duì)大電流密度充放電十分有利。
　　采用納米炭球和石墨烯片層雙重修飾方法制備了SnO2@C/石墨烯三元復(fù)合材料，并研究了材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能。SnO

6、2@C復(fù)合物的尺寸均一、分散性好，包覆層均勻，SnO2@C/石墨烯復(fù)合材料具有典型的多孔結(jié)構(gòu)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：由于石墨烯的加入，SnO2@C/石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能優(yōu)于納米炭球/石墨烯、SnO2@C及SnO2/石墨烯復(fù)合材料。當(dāng)電流密度為1000mA·g-1時(shí)，SnO2@C/石墨烯復(fù)合材料的首次嵌鋰和脫鋰比容量分別為2210mAh·g-1和1285mAh·g-1，首次庫(kù)倫效率為58.60%，循環(huán)300個(gè)周期后，可逆比容量為95

7、5mAh·g-1。SnO2@C/石墨烯復(fù)合電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，甚至在5A·g-1的電流密度下，平均可逆比容量依然保持為394mAh·g-1。SnO2@C/石墨烯電極材料具有較好的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能主要與SnO2@C/石墨烯的3D網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)及SnO2@C與石墨烯之間的協(xié)同作用有關(guān)。納米炭球?qū)nO2納米粒子起到穩(wěn)固的作用，可以緩沖SnO2納米粒子的體積膨脹，石墨烯能夠阻止SnO2@C的團(tuán)聚，提高材料的電導(dǎo)率，也可以對(duì)SnO2納米粒