特殊石墨烯結(jié)構(gòu)對鋰離子電池負(fù)極材料Co3O4和Si的性能優(yōu)化研究.pdf

1、高比容量鋰離子電池負(fù)極材料的開發(fā)和性能優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)鋰離子電池在動(dòng)力和儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。然而高比容量負(fù)極材料在實(shí)際應(yīng)用方面依然存在較大的挑戰(zhàn)，并表現(xiàn)出一些相似的基礎(chǔ)性問題，如顯著的體積效應(yīng)、顆粒的團(tuán)聚以及固體電解質(zhì)界面膜的動(dòng)態(tài)重構(gòu)等。本論文從這些基礎(chǔ)性問題出發(fā)，主要采取制備石墨烯復(fù)合負(fù)極材料的方法，重點(diǎn)開展金屬氧化物Co3O4負(fù)極和硅基負(fù)極材料的性能優(yōu)化工作。針對這兩種材料各自的特點(diǎn)，我們分別引入具有面內(nèi)缺陷的多孔石墨烯以及三維石

2、墨烯空心球這兩種特殊的石墨烯結(jié)構(gòu)，并借助這些特殊的石墨烯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對Co3O4和硅基負(fù)極電化學(xué)性能提升的目的。
　　針對Co3O4材料體積效應(yīng)大以及納米顆粒容易團(tuán)聚的問題，我們制備并引入了一種具有大量孔徑在5-10 nm面內(nèi)缺陷的多孔石墨烯，并利用水熱反應(yīng)在其表面原位誘導(dǎo)生長超高密度的Co3O4納米顆粒。在這種新穎的復(fù)合材料中，面內(nèi)缺陷不僅可通過活性官能團(tuán)誘導(dǎo) Co3O4納米顆粒的生長，同時(shí)也可有效地將其粒徑限制在10 nm以下。

3、這種復(fù)合材料具有非常合理的結(jié)構(gòu)，盡管Co3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)93％,但所有顆粒均能牢固地錨定在石墨烯表面并高度有序分散，石墨烯作為導(dǎo)電載體的作用也得到了最大程度地發(fā)揮。在電化學(xué)循環(huán)過程中，由于Co3O4顆粒細(xì)小，因而體積效應(yīng)弱，并可始終錨定在石墨烯表面不發(fā)生團(tuán)聚和脫落，復(fù)合材料可始終保持結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電環(huán)境的穩(wěn)定性，因此表現(xiàn)出非常優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能；
　　針對硅基負(fù)極體積效應(yīng)大以及固體電解質(zhì)界面膜的動(dòng)態(tài)重構(gòu)的問題，我們發(fā)展了一種高溫原

4、位固相方法，在硅納米顆粒外圍原位生長封閉的石墨烯空心球，并利用沉積-溶解犧牲層的方法預(yù)留一定的空間。在這種復(fù)合材料中，石墨烯空心球可以將硅納米顆粒限制在一個(gè)封閉的導(dǎo)電環(huán)境中，避免其與電解液的接觸，解決了硅表面固體電解質(zhì)界面膜的動(dòng)態(tài)重構(gòu)的問題，同時(shí)也為硅提供了穩(wěn)定的導(dǎo)電接觸。此外，石墨烯空心球內(nèi)部的預(yù)留空間可以很好地適應(yīng)硅納米材料的體積膨脹；石墨烯空心球優(yōu)異的機(jī)械性能還可以在預(yù)留空間不足的情況下，保證復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，這種復(fù)合材