新型石墨烯基納米材料應(yīng)用于鋰離子電池和鋰硫電池.pdf

1、鋰離子電池是當(dāng)下使用最為廣泛的二次電池，但其負(fù)極材料卻面臨著能量密度低、循環(huán)壽命差、倍率性能不高等問題。為解決這些問題，開發(fā)高比能、長壽命新型負(fù)極儲能材料將顯得十分關(guān)鍵。鋰硫電池的理論比容量高達(dá)1675 mA h g-1，是目前備受關(guān)注的二次電池。然而，當(dāng)前鋰硫電池硫正極材料的發(fā)展仍面臨著諸多問題，比如導(dǎo)電率差、體積膨脹嚴(yán)重、多硫化物易溶解等。而解決上述問題，關(guān)鍵在于研發(fā)導(dǎo)電率高、硫封裝能力好、可適應(yīng)體積膨脹以及較好地抑制多硫化物溶解的

2、新型硫載體材料。本論文以叔丁基胺硼烷和離子交換樹脂為前驅(qū)體，在過渡金屬的催化下，通過一步高溫催化裂解合成了兩種新型石墨烯基納米材料。該兩種新型石墨烯基納米材料應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極和鋰硫電池正極時，能有效地解決鋰離子電池負(fù)極和鋰硫電池正極所存在的問題。具體的研究內(nèi)容如下:
　　1.以含有氮、硼原子的叔丁基胺硼烷為前軀體，在金屬鈷的催化下，通過簡易的一步高溫催化裂解法，合成了新型三維褶皺氮硼雙元自摻雜石墨烯。三維褶皺結(jié)構(gòu)可減少石墨烯的

3、團(tuán)聚，原子摻雜形成的大量活性缺陷能有效地提高Li+的吸附和擴(kuò)散，從而較好地提升鋰離子電池負(fù)極的容量和循環(huán)穩(wěn)定性。作為鋰離子電池負(fù)極材料時，該電極材料(NBGs-1000)在50 mAg-1充放電下，可逆比容量高達(dá)909 mAh g-1。在大電流密度500 mA g-1下循環(huán)充放電500圈的每循環(huán)衰減率僅為0.064％。同時，1 Ag-1和2Ag-1放電速率下的倍率性能優(yōu)異，分別為429 mAh-1和318 mAh-1。
　　2.以

4、離子交換樹脂為前驅(qū)體，通過交換鎳和鈷作為雙元催化劑，一步高溫催化裂解合成了碳納米管簇原位生長于三維多孔網(wǎng)狀石墨烯復(fù)合材料(CNTs@3DG)。三維多孔網(wǎng)狀石墨烯可為碳納米管提供獨特的多維支撐結(jié)構(gòu)，且碳納米管簇原位生長于三維多孔網(wǎng)狀石墨烯中，與石墨烯層壁相互“錨定”，形成了穩(wěn)定的碳納米管與石墨烯相互連接的三維結(jié)構(gòu)，這為鋰離子和電子的傳輸提供了便捷的通道。此外，經(jīng)KOH活化后的CNTs@3DG復(fù)合材料具有豐富的微孔、介孔和大孔結(jié)構(gòu)，比表面積

5、高達(dá)1673 m2 g-1，粉末導(dǎo)電率也高至1055 S m-1。在100 mA g-1充放電下，CNTs@3DG復(fù)合負(fù)極表現(xiàn)出超高的可逆比容量(1132 mA h g-1)，200圈充放電后的容量保持率為93％。更顯著地，在大電流密度1 Ag-1和2Ag-1充放電下，1000圈循環(huán)過程中，每圈的容量衰減率僅為0.017％和0.025％。
　　3.碳納米管簇原位生長于三維多孔網(wǎng)狀石墨烯復(fù)合材料可作為高效的鋰硫電池硫載體材料(3DG

6、-CNTs)。與三維石墨烯內(nèi)層交互相連的簇狀碳納米管可通過毛細(xì)作用，以減少高載硫時的硫團(tuán)聚現(xiàn)象。另外，豐富的孔結(jié)構(gòu)、以及CNTs簇與三維網(wǎng)狀石墨烯形成的限域空間，能抑制多硫化物的溶解，減少充放電過程中產(chǎn)生的“穿梭效應(yīng)”以提高硫的利用率。在81.6％高載硫量時，3DG-CNTs/S正極在電流倍率為0.5 C和1C充放電下，首圈比容量分別為1229 mA h g-1和1190 mA h g-1。在500圈充放電過程中，每圈的容量衰減率僅為0