三維石墨烯在超電容和鋰、鋁離子電池中的應用研究.pdf

1、隨著社會的不斷進步和發(fā)展，世界能源供給將逐漸從化石燃料轉移到可再生能源。可再生能源應用面臨的主要問題就是如何儲備能源。鋰離子電池和超級電容器因其各自的儲能優(yōu)勢而受到廣泛的關注。在儲能器件中，電極材料是關鍵，它決定著器件的主要性能指標。石墨烯因其具有大的比表面積、超高的電導率、優(yōu)異的機械性能等特性在能量儲存領域受到廣泛關注。但實際應用中，石墨烯與石墨烯之間的接觸電阻遠大于其本身的電阻。三維石墨烯不僅具有石墨烯固有的理化性質，其三維多孔的微

2、/納米結構還使其具有大的比表面積、高的機械強度、優(yōu)越的電子傳導能力及傳質快速等優(yōu)良特性。由于其優(yōu)異的性能三維石墨烯及其復合材料已廣泛的應用于納米電子學、能量儲存和轉換、化學和生物傳感等研究領域?；瘜W氣相沉積法制備的三維石墨烯因純度高、結晶性良好、機械性能優(yōu)良等而備受關注。因此，以化學氣相沉積法制備的三維石墨烯及其納米復合材料對于提高儲能器件的性能具有十分重要的意義。在本論文中，研究內容包括以下幾點：
　?。?）近期，合成和應用具有

3、高能量密度，長循環(huán)壽命的新型納米材料受到了廣泛關注。在此，我們報道了一種簡單、低成本的水熱法在三維石墨烯表面生長類蜂窩狀CoMoO4納米片，應用于超級電容器的電極材料。類蜂窩狀強耦合CoMoO4-三維石墨烯（NSCGH）電極的測試結果表明該電極具有高容量，長循環(huán)壽命（在400A g-1的電流密度下，經過100000次循環(huán)，容量保持率達到96.36%）的特性。組裝的的非對稱超級電容器（NSCGH電極和活性炭作為正負極）和對稱超級電容器（正

4、負極均采用 NSCGH電極）均表現(xiàn)出了高能量密度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
　?。?）在電能存儲領域，當需要進行高功率運轉時，超級電容器可以全部或者部分替代電池。但是新型超級電容器電極材料能量密度低的問題仍阻礙了超級電容器的實際應用。在此，我們合成了一種三維石墨烯復合單層Co(OH)2的電極材料。由于三維石墨烯優(yōu)異的電導率和單層Co(OH)2的氫原子幾乎100%裸露在最外層，因此該電極展現(xiàn)出了超高的容量（以復合材料質量計算,容量為173

5、2.8F g-1,以單獨Co(OH)2計算，容量達到了3265.6F g-1）和長循環(huán)壽命。組裝的非對稱超級電容器展現(xiàn)了超高的能量密度（能量密度為2160W kg-1時能量密度達到了160.69Wh kg-1）和長循環(huán)壽命（2000次循環(huán)容量保持率為98%）。
　?。?）在本章中，我們采用了化學氣相沉積法制備的三維石墨烯作為電極材料的基底和集流體，將MoS2通過化學氣相沉積法原位生長在三維石墨烯表面。通過掃描電鏡（SEM）和透射電

6、鏡（TEM）對材料的形貌進行表征，復合材料的晶型結構通過 XRD進行確定。在電化學測試過程中，復合材料直接作為鋰離子電池電極使用，避免了導電劑和粘結劑等對電池性能的影響。實驗結果表明三維石墨烯/MoS2電極具有較高的可逆容量、優(yōu)異的穩(wěn)定性和良好的倍率性能。
　　（4）我們報道了以等離子體刻蝕制備石墨烯納米帶復合三維多孔石墨烯（GNHPG）泡沫作為電極應用于柔性鋁離子電池。GNHPG電極具有大量，分布均勻的納米孔洞，更加有利于AlC

7、l4-離子的嵌入和脫出，不僅克服之前的石墨邊緣限制效應增加了容量，同時獲得了更低的充電截止電壓，減少副反應的發(fā)生（之前報道的截止電壓在2.45V，略高于電解液的分解電壓）。GNHPG展示了優(yōu)異的電化學性能：在5000mA g-1電流密度下放電容量達到了123mAh g-1；10000次循環(huán)沒有出現(xiàn)衰減且?guī)靷愋矢哂?8%。電池同時展現(xiàn)了快充慢放性能（充電80s，放電超過3100s）。更重要的是，電池展示了獨特的高低溫性能：（1）在高溫時