石墨烯負(fù)載金屬氧-硫化物的合成與電化學(xué)性能研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，開發(fā)和利用清潔環(huán)保的可再生新能源已經(jīng)成為各國(guó)政府的首要發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。鋰離子電池作為一種能將能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存的新型裝置，由于其高能量密度、高輸出電位和無污染等特性，越來越受到人們的重視。在手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦等小型電器方面獲得廣泛應(yīng)用，同時(shí)，在新能源存儲(chǔ)和電動(dòng)汽車領(lǐng)域也展示出了良好的應(yīng)用前景。
　　金屬氧/硫化物作為鋰離子電池負(fù)極材料由于其價(jià)格便宜，理論容量高（碳的兩倍左右）一直是研究的熱點(diǎn)。在充放電過程中，

2、金屬氧/硫化物電極材料會(huì)發(fā)生反復(fù)膨脹-收縮過程，從而造成電極材料的粉化，導(dǎo)致容量迅速下降，阻礙其實(shí)際應(yīng)用。
　　石墨烯優(yōu)良的二維結(jié)構(gòu)、極大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為復(fù)合材料開發(fā)的理想載體，研究表明，石墨烯納米復(fù)合材料不但可以保留石墨烯和負(fù)載材料的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠產(chǎn)生新穎的協(xié)同效應(yīng)，使得這類復(fù)合材料的性能得到極大的提高，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　基于石墨烯與過渡金屬氧/硫化物之間的相互協(xié)同原理，本

3、論文將以氧化石墨烯為載體，制備具有新型結(jié)構(gòu)的、適于能量存儲(chǔ)的石墨烯負(fù)載的金屬氧/硫化物(CoS2、 WO3、MoS2、 Co3O4)納米復(fù)合材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、循環(huán)伏安(CV)、EDS和電化學(xué)測(cè)試等方法對(duì)材料進(jìn)行物相表征和電化學(xué)性能測(cè)試。主要內(nèi)容如下:
　　1.用優(yōu)化的hummers法制備氧化石墨烯(GO)，采用簡(jiǎn)單的溶劑熱法通過原位自組裝過程，制備了單分散的CoS2

4、納米籠修飾的石墨烯納米片(GNSs)層-層自組裝的復(fù)合材料。在層狀的復(fù)合材料中，柔性的氧化石墨烯作為有效載體來封裝單分散的CoS2中空納米籠，能夠緩沖其體積變化并防止其在電化學(xué)循環(huán)中的聚集。松散堆積的氧化石墨烯納米片，可以誘導(dǎo)CoS2的嵌入，更利于電解液的潤(rùn)濕，還可以作為電子和鋰離子交換的高速通道。同時(shí)單分散中空結(jié)構(gòu)可以提供額外的空間緩沖體積的變化，縮短鋰的擴(kuò)散路徑，并且不容易聚集。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得CoS2/G復(fù)合材料物具有優(yōu)良的電化

5、學(xué)性能，電流密度100 mA g-1下循環(huán)150圈容量依然接近800 mAh g-1，電流密度500 mA g-1下循環(huán)300圈后容量依然為697 mAh g-1，此外還具有較高的容量保持率和優(yōu)異的倍率性能。
　　2.利用溶劑熱方法將僅有數(shù)層的二維類石墨烯MoS2納米片負(fù)載于柔性石墨烯片層，合成具有層狀納米結(jié)構(gòu)的MoS2/石墨烯(MoS2/G)復(fù)合材料，并作為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行研究。層-層逐漸生長(zhǎng)的2D納米片層結(jié)構(gòu)不僅能夠加速

6、鋰離子的傳導(dǎo)，而且能夠阻止樣品的聚集，減緩MoS2/G納米復(fù)合材料在充放電循環(huán)過程中容量的衰減。MoS2/G納米復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)，顯出了優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，較大的比容量(580mAhg-1)，較好的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)250圈后容量為550mAhg-1），以及較高的倍率性能，表現(xiàn)出較大且穩(wěn)定的可逆存儲(chǔ)容量和較高的倍率性能。
　　3.采用水熱法合成了WO3/rGO納米復(fù)合材料，水熱處理過程中將氧化石墨烯(GO)還原轉(zhuǎn)變成了還原型氧化

7、石墨烯(rGO)，并成功制備了WO3/rGO納米復(fù)合材料。TEM結(jié)果顯示W(wǎng)O3均勻的負(fù)載到了rGO納米片上。機(jī)械柔韌性的rGO的加入使材料具有良好導(dǎo)電性能，顯著提高了WO3/rGO納米復(fù)合材料的容量，并明顯改善其循環(huán)性能。所獲得的WO3/rGO納米復(fù)合材料首次放電比容量達(dá)到1135.7mAh g-1;200圈以后依然能夠保持較高的放電容量780 mAh g-1。
　　4.采用水熱法制備三維Co3O4-石墨烯框架(3D-CGFs)。

8、水熱過程中Co3O4粒子原位負(fù)載在石墨烯片上，并且自組裝成三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)和拉曼光譜(Raman)對(duì)樣品進(jìn)行表征。3D-CGFs用作鋰離子電池負(fù)極材料展示出了良好的電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能，如高且穩(wěn)定的可逆容量（500 mA g-1電流密度下循環(huán)300次容量為530mAh g-1），良好的容量保持率（500 mA g-1電流密度下循環(huán)300圈后的容量與第4圈容量相比容量保持率為8