三維石墨烯在超電容和鋰、鋁離子電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，世界能源供給將逐漸從化石燃料轉(zhuǎn)移到可再生能源。可再生能源應(yīng)用面臨的主要問題就是如何儲(chǔ)備能源。鋰離子電池和超級(jí)電容器因其各自的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的關(guān)注。在儲(chǔ)能器件中，電極材料是關(guān)鍵，它決定著器件的主要性能指標(biāo)。石墨烯因其具有大的比表面積、超高的電導(dǎo)率、優(yōu)異的機(jī)械性能等特性在能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但實(shí)際應(yīng)用中，石墨烯與石墨烯之間的接觸電阻遠(yuǎn)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(zhì)，其三維多孔的微

2、/納米結(jié)構(gòu)還使其具有大的比表面積、高的機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)越的電子傳導(dǎo)能力及傳質(zhì)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(fù)合材料已廣泛的應(yīng)用于納米電子學(xué)、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換、化學(xué)和生物傳感等研究領(lǐng)域?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的三維石墨烯因純度高、結(jié)晶性良好、機(jī)械性能優(yōu)良等而備受關(guān)注。因此，以化學(xué)氣相沉積法制備的三維石墨烯及其納米復(fù)合材料對(duì)于提高儲(chǔ)能器件的性能具有十分重要的意義。在本論文中，研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)：
　?。?）近期，合成和應(yīng)用具有

3、高能量密度，長(zhǎng)循環(huán)壽命的新型納米材料受到了廣泛關(guān)注。在此，我們報(bào)道了一種簡(jiǎn)單、低成本的水熱法在三維石墨烯表面生長(zhǎng)類蜂窩狀CoMoO4納米片，應(yīng)用于超級(jí)電容器的電極材料。類蜂窩狀強(qiáng)耦合CoMoO4-三維石墨烯（NSCGH）電極的測(cè)試結(jié)果表明該電極具有高容量，長(zhǎng)循環(huán)壽命（在400A g-1的電流密度下，經(jīng)過100000次循環(huán)，容量保持率達(dá)到96.36%）的特性。組裝的的非對(duì)稱超級(jí)電容器（NSCGH電極和活性炭作為正負(fù)極）和對(duì)稱超級(jí)電容器（正

4、負(fù)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。
　　（2）在電能存儲(chǔ)領(lǐng)域，當(dāng)需要進(jìn)行高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，超級(jí)電容器可以全部或者部分替代電池。但是新型超級(jí)電容器電極材料能量密度低的問題仍阻礙了超級(jí)電容器的實(shí)際應(yīng)用。在此，我們合成了一種三維石墨烯復(fù)合單層Co(OH)2的電極材料。由于三維石墨烯優(yōu)異的電導(dǎo)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(fù)合材料質(zhì)量計(jì)算,容量為173

5、2.8F g-1,以單獨(dú)Co(OH)2計(jì)算，容量達(dá)到了3265.6F g-1）和長(zhǎng)循環(huán)壽命。組裝的非對(duì)稱超級(jí)電容器展現(xiàn)了超高的能量密度（能量密度為2160W kg-1時(shí)能量密度達(dá)到了160.69Wh kg-1）和長(zhǎng)循環(huán)壽命（2000次循環(huán)容量保持率為98%）。
　　（3）在本章中，我們采用了化學(xué)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(xué)氣相沉積法原位生長(zhǎng)在三維石墨烯表面。通過掃描電鏡（SEM）和透射電

6、鏡（TEM）對(duì)材料的形貌進(jìn)行表征，復(fù)合材料的晶型結(jié)構(gòu)通過 XRD進(jìn)行確定。在電化學(xué)測(cè)試過程中，復(fù)合材料直接作為鋰離子電池電極使用，避免了導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑等對(duì)電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)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。
　?。?）我們報(bào)道了以等離子體刻蝕制備石墨烯納米帶復(fù)合三維多孔石墨烯（GNHPG）泡沫作為電極應(yīng)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(yīng)增加了容量，同時(shí)獲得了更低的充電截止電壓，減少副反應(yīng)的發(fā)生（之前報(bào)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(xué)性能：在5000mA g-1電流密度下放電容量達(dá)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(shí)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(dú)特的高低溫性能：（1）在高溫時(shí)