鋰離子電池石墨烯復(fù)合材料的研究.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于能源需求量增多，石油、煤炭、天然氣等不可再生能源逐漸減少，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，使能源和環(huán)境成為備受關(guān)注的兩大社會(huì)問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類(lèi)生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視對(duì)水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用。這些新型能源與傳統(tǒng)的能源相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)。但是，他們的使用經(jīng)常受到氣候和天氣的影響，他們的峰值輸出經(jīng)常和能量的需求不匹配，在年、月、日的運(yùn)行循環(huán)中，能量的供應(yīng)經(jīng)常出現(xiàn)大的波動(dòng)。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和清潔可再生能

2、源成為各國(guó)非常重視的課題，這也對(duì)儲(chǔ)能裝置的各項(xiàng)指標(biāo)提出了新的要求。
　　鋰離子電池以其能量密度高、輸出電壓高、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，自1991年誕生以來(lái)，得到了非常迅速的發(fā)展。拓寬鋰離子電池在移動(dòng)電子設(shè)備和電動(dòng)車(chē)等方面的應(yīng)用，需要進(jìn)一步提高鋰離子電池的循環(huán)性能、大倍率性能和安全性能。石墨烯作為二維碳原子晶體，在力、熱、電、光等方面都具有優(yōu)異的性能，成為了近年來(lái)化學(xué)，材料科學(xué)及物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其具有高強(qiáng)度，高模量，高導(dǎo)電

3、性，良好的耐化學(xué)耐熱性，高比表面積等特點(diǎn)，是理想的儲(chǔ)能材料。采用石墨烯復(fù)合材料作為鋰離子電池電極材料，主要是利用其優(yōu)良的導(dǎo)電性能，提高電極材料的倍率性能和導(dǎo)電率。同時(shí)，石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，可以對(duì)納米材料進(jìn)行負(fù)載，包覆，編織，從而形成疏松的3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既可以緩沖材料在充放電過(guò)程中的體積膨脹，又可以防止材料在充放電過(guò)程中的聚集，從而提高循環(huán)性能。除此之外，疏松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還可以吸收電解液，在不同納米顆粒之間形成離子通道，進(jìn)一步提高

4、它的導(dǎo)電率。
　　本文合成了一系列鋰離子電池石墨烯復(fù)合電極材料，探索了多種形貌納米材料的合成條件及規(guī)律，進(jìn)一步擴(kuò)充了納米材料庫(kù);測(cè)試了它們?cè)诖箅娏髅芏认碌某浞烹娦阅?，交流阻抗及循環(huán)性能，討論了石墨烯對(duì)于復(fù)合物性能提升的作用，主要內(nèi)容包括:
　　1.為了縮短反應(yīng)時(shí)間，降低能源損耗和成本，采用快速微波水熱法一步合成LiFePO4/C/graphene材料。該合成線路將水熱反應(yīng)時(shí)間縮短至15分鐘。反應(yīng)所得的產(chǎn)品為無(wú)定形碳包覆的Li

5、FePO4納米立方體，其粒徑約為200nm，在納米立方體外又進(jìn)一步包覆了一層微米尺寸的褶皺狀石墨烯。這種結(jié)構(gòu)中，石墨烯層作為橋聯(lián)結(jié)構(gòu)，形成了一個(gè)有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，并提供了開(kāi)放式的孔洞吸收電解液，進(jìn)而減少鋰離子的擴(kuò)散途徑。循環(huán)伏安測(cè)試，充放電曲線和阻抗測(cè)試均表明該材料具有更好的動(dòng)力學(xué)性能。該鋰離子電池正極材料在0.1C的電流密度下表現(xiàn)出165 mAhg-1的容量，而在10C的大電流充放電時(shí)，容量仍可維持在88 mAh g-1。
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6、.為了克服VO2在循環(huán)過(guò)程中的團(tuán)聚及因此導(dǎo)致的阻抗升高，采用了原位水熱法由V2O5和氧化石墨烯一步合成了VO2/graphene復(fù)合材料。電極材料中分散的碳材料可以為電荷傳遞提供路徑，進(jìn)而提升電子導(dǎo)電率。柔軟的石墨烯層狀結(jié)構(gòu)將VO2納米帶編織在一起，能夠防止VO2在循環(huán)過(guò)程中的團(tuán)聚，同時(shí)石墨烯還能與VO2形成隨機(jī)的充滿電解液的孔洞，進(jìn)一步加速鋰離子的擴(kuò)散。該復(fù)合材料容量高達(dá)380 mAhg-1，五十個(gè)循環(huán)之后，保持了99％的容量。交流阻

7、抗測(cè)試表明該材料的電荷傳遞電阻僅為VO2的67％。
　　3.采用新穎快速的原位水熱法一步合成了中空結(jié)構(gòu)的Li3VO4/graphene，該材料為直徑2μm的中空納米立方體，均勻錨定在多孔的石墨烯片層上。中空結(jié)構(gòu)可以緩解鋰離子嵌入脫嵌的壓力，提升材料的比表面積，減少鋰離子擴(kuò)散的有效路徑，并為鋰離子儲(chǔ)存提供額外的空間，從而提高材料的容量、循環(huán)性能及倍率性能。進(jìn)一步包覆多孔石墨烯不僅可以增加Li3VO4和和電解液的接觸，還可以提高物質(zhì)和