金屬氧化物-石墨烯納米復合材料的微波法制備及在鋰離子電池負極材料上的應用.pdf

1、在過去幾十年，過渡金屬氧化物由于具有高的理論容量(500-1000mA h/g)廣泛應用于鋰離子電池負極材料。但由于過渡金屬氧化物導電性能差，在充放電過程中生成的Li2O進一步惡化了材料的導電性，以及首次不可逆容量損失大;鋰離子在嵌入/脫嵌出過程中使得電極材料體積膨脹大，導致電極材料粉末化與集流體失去接觸等原因，限制了它們的應用。因此，為了解決這些問題，本文主要對銅氧化物、鈷氧化物與石墨烯復合材料的電池性能進行改善研究。主要內容如下:<

2、br>　　(1)先經過預氧化和再氧化制備氧化石墨;再經過熱處理得到石墨烯(GNS);然后以Cu(NO3)2·3H2O，NaOH，NH3·H2O和石墨烯為原料，經微波反應10min得到CuO/GNS復合材料。實驗結果表明:中間寬為40nm，長為100-140nm的片狀CuO均勻的負載在石墨烯上。將制備好的復合材料組裝成鋰離子半電池，比容量保持在600mAh/g(在100mA/g下循環(huán)50圈后);在不同的電流密度(100，200，400，8

3、00mA/g)下進行充放電后，當電流密度恢復到100mA/g時，比容量恢復到600mAh/g，優(yōu)于單純CuO的比容量。改善的電化學性能可歸結于CuO和石墨烯的協同效應，一方面石墨烯提高了復合材料的導電性，另一方面，石墨烯阻止了CuO的團聚，同時CuO阻止了石墨烯的堆積，并且這種復合結構增大了電極與電解液的接觸面積，縮短了鋰離子擴散路徑。
　　(2)以Cu(AC)2·H2O，NH3·H2O和GO為原材料，經微波反應和熱處理得到CuO

4、-Cu2O/GNS納米空心球復合材料。測試表明這種空心球大約為100-170nm，是由5nm的CuO和Cu2O組成的，其中殼厚度大約為50-70nm，空心直徑大約為100nm。這種復合材料作為鋰離子電池負極，在200mA/g恒電流密度下進行充放電，循環(huán)50次后，比容量保持在487mAh/g;在不同的電流密度(200，500，1000，2000，5000mA/g)下進行充放電后，當電流密度恢復到200mA/g時，比容量恢復到520mAh/

5、g。優(yōu)越的電化學性能主要歸因于以下四個方面:一:石墨烯導電性能好，與金屬氧化物復合之后大大提高了金屬氧化物的導電性能;二:CuO-Cu2O空心結構有助于緩沖鋰離子在嵌入和脫出時的體積膨脹，加強電極材料的穩(wěn)定性;三:CuO-Cu2O空心的殼兩邊都浸在電解液中，增大了接觸面積，縮短了鋰離子傳輸距離;四:CuO和Cu2O納米晶體之間的協同效應以及CuO-Cu2O形成的界面有額外的界面儲鋰能力，使得電化學性能加強。
　　(3) Co3O4

6、量子點/GNS復合材料在簡單、快速、有效的微波下反應5min得到。通過XRD、TG、TEM和HRTEM表征分析，發(fā)現立方晶相的Co3O4很好的附在石墨烯上，Co3O4粒子的大小為3-8nm，石墨烯的比重為40％。組裝成鋰離子半電池，結果表明:復合材料可逆容量高，0.1C(1C=890mA/g)恒電流密度下進行充放電，循環(huán)90圈后，比容量可保持在1785mAh/g;同樣，倍率容量也很高，在5C下進行充放電，比容量保持在485mAh/g，當