石墨烯及硒基納米復合材料的設計合成與電化學性能研究.pdf

1、本文針對提高鋰離子電池的性能，設計合成出了一系列石墨烯和硒基納米復合材料。我們發(fā)展了石墨烯包覆空心立方納米材料的新結構;發(fā)展了熔融法使單質硒與相互相連的空心介孔碳泡復合的新材料;低溫下合成了一種新型的石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結構納米線材料，并系統(tǒng)的研究了其物理性質和電化學性能。本論文的主要研究內容可歸納為以下幾個方面:
　　1、我們將水熱所得的Co2SnO4空心立方前驅進行熱解誘導轉換，然后經過類似靜電相互作用的機制，設計合成了一

2、種獨特的復合納米結構-石墨烯包覆Co2SnO4空心立方。尺寸約為240nm，殼厚度為50-70nm的Co2SnO4空心立方均勻的被包裹在石墨烯中。當Co2SnO4 HCs@rGO作為鋰離子電池負極材料時，與單純的Co2SnO4相比，它表現出了很高的容量，極好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這一改善的電化學性能應當歸因于Co2SnO4 HCs@rGO這一獨特的納米構筑。這種獨特的納米構筑具有很好的結構穩(wěn)定性可以有效緩解鋰離子脫嵌過程中的體積變化問

3、題，還可以有效提高電極電導率，增加活性物質和電解液之間的電化學活性位點等。具有這種獨特結構的功能材料對于高性能鋰離子電池有著很好的發(fā)展前景。
　　2、我們設計合成了一種新型的硒/碳復合材料-硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復合材料。這種介孔空心碳泡是由尺寸約為70nm左右，殼厚度約為12nm左右的介孔空心碳球相互連接而成的。通過熔融法將硒單質均勻的分散到相互連接的介孔空心碳泡中，而這些相互連接的介孔空心碳泡的內部空心結構仍然可以保持

4、。當用作碳基電解液的鋰-硒電池正極材料時，這種硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復合材料表現出了極好的循環(huán)性能和倍率性能。尤其是對硒的負載量進行優(yōu)化后，硒負載量約為50％wt的硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復合材料(Se50/PHCBs)容量保持最高，循環(huán)至120圈后，在電流密度為0.1C下，容量可達606.3mA h/g。而當電流密度由0.1C增大到1C時，Se50/PHCBs復合材料的可逆容量仍可達到431.9mA h/g（是理論容量的

5、64％）。這一優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能應當歸因于這種均勻的具有內部空心和介孔碳殼的介孔空心碳泡作為單質硒的寄主，將大部分單質硒有效地分散、分離，而內部空心結構仍保持良好。這種納米結構可以提高整個電極材料的離子和電子電導率，還可以有效的緩沖長期循環(huán)帶來的巨大的體積變化。
　　3、在常溫和冰浴，沒有加熱的低溫條件下，我們設計合成了一種性能卓越的納米復合材料-石墨烯包覆的硒/聚苯胺核殼結構納米線。在這種納米復合材料中，硒納米線由厚度約

6、為25nm的聚苯胺層很好的包覆，形成一種核殼結構，然后這種核殼結構的硒/聚苯胺納米線均勻的包裹在石墨烯層中。當我們所合成的石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結構納米線用作鋰-硒電池正極材料時，它們表現出了很好的循環(huán)性能（電流密度為0.2C，循環(huán)至200圈后容量保持在567.1mA h/g）和高倍率性能（電流密度為2C，容量保持在510.9mA h/g）。這一突出的電化學性能可能歸功于石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結構納米線復合材料中高電導率的石墨烯，獨