自支撐石墨烯基復(fù)合膜的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、鋰離子電池作為一種新型的儲(chǔ)能設(shè)備，已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品上面得到廣泛的應(yīng)用。隨著電動(dòng)汽車和柔性電子等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池提出了更高的要求，包括更高的功率密度、更高的輸出電壓、更高的工作溫度和更好的安全性能、以及具備良好的力學(xué)性能和柔韌性。對(duì)于高性能鋰離子電池而言，電極活性材料的改進(jìn)和革新是提高其綜合性能的核心和關(guān)鍵。在鋰離子電池負(fù)極材料方面，商業(yè)化的石墨負(fù)極理論比容量低（372 mAh g-1），不能滿足新一代高性能鋰離子電池的要求，

2、研發(fā)其可代替材料是一種較好的選擇。過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極和硅負(fù)極材料就有更高的比容量，是很有發(fā)展前景的負(fù)極材料，然而因其在循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹效應(yīng)導(dǎo)致容量衰減過(guò)快的問(wèn)題是限制其應(yīng)用的主要瓶頸。石墨烯作為一種新型的二維材料，具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性和極好的力學(xué)強(qiáng)度，可以作為過(guò)渡金屬氧化物負(fù)極和硅負(fù)極的載體，抑制其充放電過(guò)程中體積效應(yīng)，達(dá)到改善其性能的目的。因而，本論文通過(guò)制備石墨烯和過(guò)渡金屬氧化物三維復(fù)合材料，以及石墨烯和硅納米顆粒三維復(fù)合材料，考察

3、其微觀結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)，得到了一些有意義的結(jié)果。
　　1.首先用改進(jìn)的Hummers法制備了氧化石墨烯，將其水溶液抽濾成膜并還原后得到了自支撐的石墨烯膜，然后再通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑熱-熱分解法在石墨烯膜的表面生長(zhǎng)出多孔的 Co3O4納米片陣列，得到自支撐的 Co3O4納米片/石墨烯復(fù)合膜材料。SEM結(jié)果表明 Co3O4納米片之間相互貫穿，形成一個(gè)三維有序多孔的納米片陣列，且Co3O4納米片是由納米顆粒構(gòu)成的。將這種

4、復(fù)合膜用作鋰離子電池負(fù)極材料，在200 mA g-1的電流密度下，經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后，可逆容量高達(dá)453mAhg-1，倍率性能測(cè)試中，電流密度從100 mA g-1逐漸增大到2000 mA g-1，在這些不同的電流密度下分別循環(huán)10次后再返回到100 mA g-1的電流密度時(shí)，其可逆容量可恢復(fù)到650 mAh g-1，表現(xiàn)出較純的石墨烯膜和純的Co3O4粉末更為優(yōu)異的電化學(xué)性能。
　　2.首先通過(guò)水熱法合成了MnO2納米線，然后將

5、其加入到氧化石墨烯水溶液中，超聲分散攪拌均勻，然后再將該均勻的混合溶液抽濾成膜，還原后得到了自支撐MnO2納米線/石墨烯復(fù)合膜。SEM的測(cè)試結(jié)果表明，還原以后的 MnO2納米線/石墨烯復(fù)合膜具有多孔結(jié)構(gòu)，MnO2納米線均勻地夾雜在石墨烯的片層之間。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，在200 mA g-1的電流密度下，200次循環(huán)后的可逆容量高達(dá)480 mAh g-1。倍率性能測(cè)試中，電流密度分別為100、200、500、1000、2000 mA

6、g-1時(shí)，其可逆比容量分別是900、600、400、300、200 mAh g-1。它表現(xiàn)出比純MnO2納米線更加優(yōu)異的性能，改善了純MnO2的循環(huán)穩(wěn)定性能和倍率性能。
　　3.將表面功能化處理的Si納米顆粒和氧化石墨烯水溶液進(jìn)行超聲分散，攪拌均勻，利用 Si納米顆粒表面的氨基和氧化石墨烯表面的含氧基團(tuán)之間的縮合反應(yīng)，使得 Si納米顆粒均勻的附著在氧化石墨烯片上面，經(jīng)過(guò)抽濾成膜和還原以后得到自支撐的Si納米顆粒/石墨烯復(fù)合膜。SE

7、M測(cè)試結(jié)果表明這種復(fù)合膜是一種層狀結(jié)構(gòu)的多孔膜，Si納米顆粒均勻的負(fù)載在石墨烯片上面并夾在片層之間的多孔結(jié)構(gòu)當(dāng)中。將其用作鋰離子電池負(fù)極材料，在400 mAg-1的電流密度下，首次放電比容量為2500 mAh g-1，充電比容量為1350 mAh g-1，對(duì)應(yīng)的庫(kù)倫效率為54％，且7次循環(huán)以后庫(kù)倫效率就一直保持在98％以上，經(jīng)歷1300次循環(huán)以后復(fù)合膜的可逆比容量仍具有660 mAh g-1。倍率性能結(jié)果表明，當(dāng)電流密度分別為100、2