鋰離子電池負(fù)極材料碳包覆石墨烯的制備及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、自2004年安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等發(fā)現(xiàn)了單層石墨烯以來，它在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面的優(yōu)異性能，使之成為近年來新能源領(lǐng)域的研究熱點。石墨烯以其良好的導(dǎo)電性和較高的電子遷移率，低的熱膨脹系數(shù)以及大的比表面積等而被認(rèn)為是理想的電極材料。但是，單一的石墨烯材料用作電極材料，受到諸多因素的限制，如石墨烯比表面過大(理論值2630m2g–1)，片層之間容易團(tuán)聚，大大提高了不可逆容量損失(較低的首次庫侖效率(<73%))

2、并降低了其作為電極材料電導(dǎo)率，從而給電極制片工藝帶來不良影響。特別是單一的石墨烯電極材料在大倍率充放電時，容量衰減太快。碳包覆石墨烯復(fù)合物利用復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)克服單一材料的缺陷并發(fā)揮二者的優(yōu)勢。目前，碳前驅(qū)物例如聚吡咯、聚苯胺等含氮聚合物已經(jīng)廣泛被用于制備功能化氮的碳材料，功能化氮碳材料也成為復(fù)合碳源的研究熱點之一。
　　本論文通過大量的文獻(xiàn)資料調(diào)研，緊跟該領(lǐng)域的國際研究前沿，系統(tǒng)考察和對比了不同合成條件對碳包覆石墨烯復(fù)合材料和

3、石墨烯的影響，并且利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)等技術(shù)對材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，用恒流充放電、循環(huán)伏安和交流阻抗等電化學(xué)技術(shù)對材料進(jìn)行測試，主要開展了以下幾個方面的研究并得到如下結(jié)論：
　　1.采用改進(jìn)的Hummers法制備了氧化石墨，考察了不同的還原方法對制備石墨烯的影響，得出在300℃條件下Ar-H2(8%)混合氣熱還原的石墨烯還原程度高，Ar-H2(8%)熱還原的石墨烯的比表面為308

4、m2g-1。CMC+SBR水系粘結(jié)劑體系首次充電效率提升至60.5%，這對于負(fù)極材料制片工藝更有利。石墨烯負(fù)極材料在電流密度為50mAg-1時，可逆容量保持在600-700mAhg-1；在1.6Ag-1時，可逆容量降至100mAhg-1以下，說明石墨烯作為電池負(fù)極材料在大倍率下衰減的特別快。
　　2.碳包覆石墨烯是以聚苯胺-氧化石墨烯復(fù)合材料為前驅(qū)體，置于管式加熱爐在流動的Ar-H2(8%)混合還原氣氛下加熱進(jìn)行高溫?zé)徇€原和碳化反

5、應(yīng)，反應(yīng)溫度在700℃以上時碳包覆石墨烯碳化完全。其中反應(yīng)溫度為800℃時制得的碳包覆石墨烯(PANI-GO-800)復(fù)合材料在電流密度為25mAg-1時，可逆容量維持在461mAhg-1，在50mAg-1時維持在407mAhg-1，在1.6Ag-1維持在178mAhg-1。結(jié)果說明納米碳包覆層有利于提高負(fù)極材料的循環(huán)和倍率性能。
　　3.考察了不同的碳包覆量對碳包覆石墨烯復(fù)合材料的影響，當(dāng)氧化石墨和苯胺單體的質(zhì)量比分別為1:1，

6、1:1.5，和1:2時，通過TGA測試結(jié)果計算出碳包覆石墨烯中碳包覆量分別為16.88%，28.36%，和51.76%；隨著碳包覆量的增加，碳包覆石墨烯表面的缺陷和無序程度增加。碳包覆石墨烯的可逆容量在電流密度100mAg-1到1.6Ag-1時高于石墨烯，電流密度為1.6Ag-1時可達(dá)188mAhg-1，而此時石墨烯的可逆容量僅為85mAhg-1。在電流密度為1.6Ag-1時55℃下500次循環(huán)后，石墨烯的可逆容量維持在126.1mAh