高性能硅-鍺基負極材料的可控制備及研究.pdf

1、近年來，能源危機日益嚴重并成為人類面臨的巨大挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展和綠色利用，我們需要降低對化石能源的依賴并加大清潔可再生能源的開發(fā)和利用。在眾多儲能技術(shù)中，鋰離子電池由于高能量密度、寬工作溫度、長工作壽命以及綠色環(huán)保深受人們的追捧。如今，傳統(tǒng)石墨材料作為負極材料廣泛應用于商品鋰離子電池中。然而，石墨的理論比容量較低且容易出現(xiàn)安全問題，嚴重阻礙了鋰離子電池的進一步發(fā)展，最近，研究者們發(fā)現(xiàn)許多高理論容量的負極材料（例如硅、鍺以及金

2、屬氧化物等）很有希望作為下一代高能量密度鋰離子電池的電極材料。另一方面，鋰資源的分布不均一和儲量較低的缺點限制了鋰離子電池的大規(guī)模應用。具有鋰離子電池類似反應機理的鈉離子電池逐漸引起了研究者們的注意。由于鈉資源分布廣泛且價格低廉，鈉離子電池很有希望成為鋰離子電池的廉價替代品。然而，由于鈉離子半徑遠大于鋰離子，大部分應用于鋰離子電池的正極材料很難直接應用存鈉離子電池上。因此，最近大量的研究集中于開發(fā)出具有更優(yōu)異結(jié)構(gòu)的電極材料來實現(xiàn)鈉離子的

3、快速嵌入和脫出。本論文除了對鋰離子電池中理論容量較高的硅基和鍺基負極材料進行了深入的研究，探索了多種納米結(jié)構(gòu)的合成機理并成功開發(fā)出多種具有優(yōu)異電化學性能的鋰離子電池負極材料。我們還對鈉離子電池正極材料Na3V2(PO4)3進行了改性，得到了倍率性能優(yōu)異的自支撐電極材料。
　　第一章中，我們總結(jié)了近年來鋰（鈉）離子電池正/負極材料的發(fā)展，對相關(guān)電極材料的晶體結(jié)構(gòu)和反應機理也進行了討論并提出了本論文的研究背景和研究思路。
　　第

4、二章中，我們總結(jié)了本論中使用的實驗藥品，實驗儀器以及實驗方法，并對使用過的表征技術(shù)和測試技術(shù)進行了進一步闡述。
　　第三章，我們介紹了一種具有三明治結(jié)構(gòu)的石墨烯基復合薄膜的普適的方法。這種方法的原理是基于石墨烯與鋅在酸性條件下的靜電吸附和化學還原。通過調(diào)節(jié)pH值，活性材料的納米顆?？梢詩A存三維石墨烯的片層之間。通過這種方法，我們合成了三明治結(jié)構(gòu)的硅/石墨烯薄膜并成功應用于鋰離子電池負極。這種硅/石墨烯薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鋰性能（在1

5、00mA g-1的電流密度下循環(huán)40圈后還有1800mA h g-1的容量）。在此基礎(chǔ)上，我們還成功合成了基于氧化鐵和氧化鈦的三明治結(jié)構(gòu)薄膜，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。
　　第四章，我們針對于鍺基材料，通過簡單的一步溶劑熱法合成了鍺/石墨烯的納米復合材料。這種鍺/石墨烯的納米復合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能:在0.1Ag-1的電流密度下循環(huán)50圈后還有814mAhg-1的容量，而在2Ag-1的大電流密度下循環(huán)510圈后還有6

6、90mA h g-1的容量。
　　第五章，我們發(fā)展了一種合成一維無機-有機雜化結(jié)構(gòu)的鍺基納米線的方法。通過簡單的一步溶解熱的方法，我們可以合成形貌規(guī)整的多種過渡金屬-鍺基納米線。我們證實我們這種一般性的策略，可以拓展合成其他更多的鍺基納米線。進一步的，我們將合成的納米線應用于鋰離子電池負極，取得了優(yōu)異的電化學性能。
　　第六章，我們針對鍺基氧化物材料，合成了具有多孔結(jié)構(gòu)的鐵-鍺雙金屬氧化物納米線。這樣的納米線是由十幾個納米大

7、小的顆粒堆砌成的一維多孔結(jié)構(gòu)。當用作鋰離子電池負極時，鐵-鍺雙金屬氧化物納米線展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能（在0.1Ag-1的電流密度下有1120mA h g-1的容量）和良好的循環(huán)性能（循環(huán)50圈后還有750mA h g-1的容量）。
　　第七章，我們針對鈉離子電池正極材料，制備了碳包覆Na3V2(PO4)3顆粒負載于泡沫石墨烯的自支撐電極材料(NVP@C-GF)。制備的NVP@C-GF自支撐電極具有三維導電石墨烯的高導電率和多孔結(jié)構(gòu)

8、的優(yōu)勢。而且碳包覆的Na3V2(PO4)3顆粒能有有效的緩解材料的體積膨脹問題。當作用鈉離子電池負極時，NVP@C-GF薄膜電極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲鈉性能:在200C的電流密度下還有56mA hg-1的容量。
　　第八章，我們對Li+/Mg2+雙離子電池進行了研究。我們采用MoS2納米花負載于泡沫石墨烯的自支撐薄膜(rGF-MoS2)作為正極以及鎂金屬作為負極，對其電化學機理和性能進行了研究。制備的MoS2薄膜電極在混合電解液中表現(xiàn)出優(yōu)