基于石墨烯-硅納米粒子鋰離子電池負(fù)極復(fù)合材料的研究.pdf

1、硅作為鋰離子電池負(fù)極材料，具有極高的理論比容量（～4200mAh·g-1），被認(rèn)為最有望取代傳統(tǒng)石墨負(fù)極(372mAh·g-1)的材料之一。然而在充放電過程中，硅存在巨大的體積膨脹(＞300％)，容量快速衰減，限制了其應(yīng)用。石墨烯作為一種二維材料，具備高比面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性和力學(xué)性能等特性，可望提高硅在充放電過程中的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。本課題采用氧化石墨烯(GO)為前驅(qū)體，制備了不同成分比的石墨烯/納米硅(G/Si)復(fù)合材料，研究了復(fù)合

2、物配比、還原溫度和聚乙烯醇對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)、成分以及電化學(xué)性能的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下;
　　(1)研究了預(yù)處理硅和石墨烯/硅成分比的作用。采用氫氟酸對(duì)商用納米硅粉(100～120nm)進(jìn)行刻蝕預(yù)處理，可有效去除硅表面氧化層，經(jīng)預(yù)處理之后的硅粉具有更高的比容量，但循環(huán)穩(wěn)定性仍較差。將預(yù)處理的硅粉與石墨烯復(fù)合后發(fā)現(xiàn)，隨硅含量的減少，復(fù)合材料的比容量先增加后降低，循環(huán)穩(wěn)定性得到了大幅的提高。當(dāng)氧化石墨烯與納米硅(GO/Si)比值為

3、6∶3時(shí)，還原后制備的負(fù)極材料綜合性能最好，100次循環(huán)后容量仍保持866.2mAh·g-1，說明石墨烯與硅的復(fù)合提高了負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性;
　　(2)研究了熱處理溫度對(duì)GO/Si復(fù)合材料的影響。結(jié)果表明G/Si復(fù)合材料導(dǎo)電性隨還原溫度升高而增大，鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性隨溫度的升高而提高，但溫度達(dá)到1050℃時(shí)，石墨烯結(jié)構(gòu)混亂度增加，拉曼分析D峰與G峰比值明顯增大;同時(shí)，透射電鏡中發(fā)現(xiàn)硅納米顆粒之間發(fā)生團(tuán)聚，首次放電容量最低。綜

4、合比較，當(dāng)還原溫度為700℃，負(fù)極材料的電化學(xué)性能較好;
　　(3)研究了聚乙烯醇（PVA）添加量的作用。在GO/Si=6∶3的前提下，制備了氧化石墨烯/納米硅/聚乙烯醇（GO/Si/PVA）復(fù)合材料，PVA的添加可改善復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，還原后，材料表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能，研究表明GO/Si/PVA為6∶3∶2時(shí)，樣品的電化學(xué)性能最優(yōu)，穩(wěn)定性明顯改善，經(jīng)過100次循環(huán)以后，可逆比容量為933.6mAh·g-1，容量保持率達(dá)到82.8