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存儲裝置，已廣泛應用于人類的日常工作生活中，如各種便攜式電子設備、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，包括法拉第電阻、鋰離子的傳輸速率、導電性等。因此，提升電極材料物理化學性能對鋰離子電池的發(fā)展尤為關鍵，建立大功率鋰離子電池的關鍵是開發(fā)具有高導電率和大比表面積的新材料或設計良好的納米結構以縮短鋰離子的遷移長度。石墨烯具有優(yōu)越的導電性、機械柔韌性、化學穩(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、組成結構、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。利用石墨烯納米復合物的協(xié)同效應，可以有效的提升電極的物理化學性能，從而提升鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
　　2.詳細描述了測試鋰離子電池的物理、電

4、化學性能的實驗方法和儀器設備。
　　3.利用一步水熱法制備了生長在鈦片上的花狀鉬酸鋅（ZnMoO4）、碳復合的鉬酸鋅（ZnMoO4/C）和石墨烯鉬酸鋅復合物（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構。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。借助交流阻抗技術分析其性能增強機理，證實在復合石墨烯以后，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構的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，邊緣具有一層碳結構。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分析其性能提升機理，結果表明SnO2-G的電荷轉(zhuǎn)移阻抗（74.69Ω）小于SnO2的電荷轉(zhuǎn)移阻抗（113.