石墨烯基高性能鋰電材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面調(diào)控.pdf

1、鋰離子電池由于具有較高的能量密度與功率密度且無記憶效應(yīng)等特點而備受關(guān)注，在便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，然而，目前鋰電材料作為動力電池難以滿足電動汽車長續(xù)航與快速充放電的要求，因此研制高性能鋰電材料具有重要的科學(xué)意義與實用價值。本論文基于高比容量電化學(xué)物質(zhì)（金屬氧化物或硫）與二維石墨烯構(gòu)筑高性能電極材料，主要針對金屬氧化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差及硫正極的穿梭效應(yīng)，提出納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面調(diào)控并重的科學(xué)理念，發(fā)展了石墨烯/CoO復(fù)合氣凝膠無

2、粘結(jié)劑負極、空心金屬氧化物強耦合石墨烯復(fù)合負極、石墨烯/SnO2/聚苯胺三明治復(fù)合負極以及功能化石墨烯/硫正極、石墨烯基碳/S/聚吡咯三明治復(fù)合正極。主要研究內(nèi)容如下:
　　可壓縮石墨烯/CoO復(fù)合氣凝膠無粘結(jié)劑電極的創(chuàng)制。以氧化石墨烯(GO)為原料，吡咯為輔助劑，通過水熱自組裝-冷凍干燥-熱處理策略制備石墨烯組裝體負載均勻生長的CoO納米線或海膽型CoO納米球，兩者可直接壓縮成無粘結(jié)劑電極，100次循環(huán)測試后仍展現(xiàn)出550mAh

3、 g-1以上的比容量，優(yōu)于CoO粉末電極電化學(xué)性能。研究表明CoO納米線在石墨烯組裝體表面均勻負載并形成強復(fù)合界面，可顯著改善電極的鋰電性能。
　　石墨烯強耦合空心金屬氧化物高性能電極的創(chuàng)制。結(jié)合晶體控制生長、炭熱還原、和Kirkendall效應(yīng)等基本原理，成功開發(fā)了聚吡咯烷酮-硝酸鹽涂覆GO、炭化還原以及低溫氧化的技術(shù)路線，可普適制備多種過渡金屬氧化物(MO)空心納米結(jié)構(gòu)與石墨烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)(h-MO@C@G)，如h-Fe2O3@

4、C@G、h-Co3O4@C@G和h-NiOx@C@G。通過PVP的用量可實現(xiàn)對MO空心納米結(jié)構(gòu)尺寸大小和二維大孔結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控。金屬氧化物空心納米結(jié)構(gòu)以及其與石墨烯的強復(fù)合界面協(xié)同提高了復(fù)合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此所制備的h-MO@C@G電極均可顯示15Ag-1電流密度下比容量高于300mAh g-1的高倍率性能。
　　石墨烯/SnO2/聚苯胺三明治復(fù)合負極的構(gòu)筑。通過Sn2+還原GO實現(xiàn)SnO2在石墨烯表面上的原位生成與錨定，在植酸

5、輔助下實現(xiàn)SnO2納米顆粒的聚苯胺(Pani)包覆。SnO2納米顆粒尺寸均勻且相互隔離，聚苯胺涂層厚度可控。所得DF-SnO2/G@Pani三明治的片狀結(jié)構(gòu)有利于電解液的擴散，縮短鋰離子的傳輸路徑，SnO2納米顆粒埋覆在導(dǎo)電高分子層和石墨烯中間，大大提高SnO2的導(dǎo)電性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，Pani包覆層有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，因此所得DF-SnO2/G@Pani電極表現(xiàn)出高達700mAh g-1的比容量（接近SnO2理論比容量），在2000

6、mA g-1電流密度下比容量高于200mAh g-1的倍率性能，以及700次的長循環(huán)壽命。
　　功能化石墨烯用于高性能鋰硫電池。開發(fā)了一種通過低溫水熱將乙二胺功能化石墨烯(EFG)表面的方法，通過液相氧化還原反應(yīng)負載硫，熔融擴散得到硫涂覆的EFG復(fù)合物(EFG-S)，試驗表征和理論計算結(jié)果表明EFG可實現(xiàn)對硫及放電產(chǎn)物硫化鋰的強吸附，同時石墨烯的物理限制作用及良好的機械性能均有利于EFG-S電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。350次循環(huán)后保持650m

7、Ah g-1的高比容量，對應(yīng)于80％的比容量保持率。
　　石墨烯基碳/硫/聚吡咯三明治復(fù)合正極的構(gòu)筑。以GO為前軀體通過納米鑄造、硫熔融擴散和聚吡咯(PPy)涂覆的路線成功將硫封裝在聚吡咯和石墨烯基介孔碳片(GCS@PPy)之間，三明治式GCS@PPy保持了石墨烯的二維片狀結(jié)構(gòu)，有利于提高硫的利用率和電解液的擴散，同時PPy、石墨烯和介孔碳均可有效提高硫的導(dǎo)電性，并緩沖硫在充放電過程中的體積變化，從而有利于電極的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所得GC