石墨烯-金屬化合物復(fù)合納米材料的制備及其在鈉離子電池中的應(yīng)用.pdf

1、當(dāng)今經(jīng)濟快速發(fā)展，有限的自然資源已無法滿足人類日益增長的需求，這使得眾多科研工作者將目光投向先進且清潔的能源和儲能技術(shù)的開發(fā)。鋰離子電池作為最主要和應(yīng)用最廣泛的可充電電池，具有能量密度高、毒性低和使用壽命長等優(yōu)點。然而，鋰離子電池仍然存在著很多局限性，如安全性和價格等問題，嚴重阻礙了其擴大商用領(lǐng)域。隨著全球?qū)ΜF(xiàn)有鋰的需求量極速增加，鋰源價格近年來成倍增長卻仍供不應(yīng)求?？v使諸多城市啟動了鋰電池回收計劃，也不能避免鋰資源的逐步枯竭。此外，中

2、型鋰離子電池汽車投放使用規(guī)模的不斷擴大也進一步抬高了鋰化合物的價格，導(dǎo)致鋰基儲能設(shè)備的價格愈加昂貴?？深A(yù)見的鋰源短缺促使研究人員尋找新的替代電池，其中最富前景且已得到初步研究論證的就是鈉離子電池。鈉在地球上的儲量十分豐富，因此價格也相對鋰更為低廉。同為第一主族堿金屬，鈉和鋰化學(xué)性質(zhì)非常相近。由于礦物鈉在地殼中的儲存豐富和開采成本較低，鈉離子電池對于研究人員有著非常強大的吸引力。此外，鈉離子電池本身具有非水性電解液能夠很好地保證其穩(wěn)定性。

3、電極材料在鈉離子電池中扮演著舉足輕重的角色，開發(fā)高容量、高穩(wěn)定性的電極材料對制備高性能的鈉離子電池至關(guān)重要。而具有很強的電導(dǎo)率，超高的機械強度以及其他二維材料無法比擬的高比表面積的石墨烯，作為近年來新興的材料被廣泛的運用于電子、生物和材料等多個方面。同時，通常通過化學(xué)法制備的石墨烯的表面存在活性基團，易與納米尺度的金屬氧化物和硫化物以及有機導(dǎo)電聚合物表面發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的界面，從而使材料展現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能。
　　本文選取

4、釩氧化物、硫化銦分別與石墨烯復(fù)合制備納米材料，將制得的納米材料作為電極材料應(yīng)用于鈉離子電池中，測試了它們的電化學(xué)性能。實驗中綜合運用了 X-射線衍射儀(XRD)，場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)，透射電子顯微鏡(TEM)，X-射線光電子能譜儀(XPS)等大型儀器對合成的材料進行了物相、結(jié)構(gòu)和化學(xué)表面分析。同時利用電化學(xué)工作站和電池充放電測試儀對材料進行了相應(yīng)的電化學(xué)性能測試。主要研究內(nèi)容和結(jié)果是：通過化學(xué)合成法合成了具有二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的

5、石墨烯，以它為基底材料，采用旋涂、水熱等方法與和釩氧化物、硫化銦制備不同結(jié)構(gòu)的電極材料，裝配在鈉離子電池中，并測試了它們在鈉離子電池中的各項性能。
　　1.運用簡單的旋涂法，將預(yù)先制備的高性能二維結(jié)構(gòu)氧化石墨烯水溶液和釩氧化物膠體溶液旋涂在集流體上，在氮氣保護下500 ℃進行退火處理，得到石墨烯-釩氧化物的復(fù)合多層電極材料。使用XRD、XPS對材料的物相和化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)進行分析，通過TEM和SEM對材料的微觀結(jié)構(gòu)進行表征。石墨烯/

6、釩氧化物多層復(fù)合材料在鈉離子電池性能測試中表現(xiàn)出高容量和高循環(huán)穩(wěn)定性。在0.2 A g?1的電流密度下能夠保持224 mA h g?1的容量循環(huán)200圈，在500圈的循環(huán)測試后，仍然能夠保持85％的容量（初始比容量：171.2 mA h g?1，最終比容量：145.1 mA h g?1）。石墨烯/釩氧化物多層復(fù)合材料是一種很有應(yīng)用前景的高性能鈉離子電池正極材料。這種利用旋涂獲得多層結(jié)構(gòu)材料的制備方法十分簡便，可以擴展運用到其他的很多領(lǐng)域

7、。
　　2.基于石墨烯與釩氧化物復(fù)合后獲得高性能電極材料的研究，我們設(shè)想利用石墨烯提升硫化物電極材料在鈉離子電池中的性能。通過調(diào)控反應(yīng)條件，將硫化銦與預(yù)先制得的氧化石墨烯溶液在240 ℃條件下水熱反應(yīng)24 h，獲得三維(3D)硫化銦納米球與還原氧化石墨烯的復(fù)合材料。還原氧化石墨烯與3D硫化銦納米球復(fù)合得到的納米材料被用作鈉離子電池的負極材料，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較高的電池容量。電池在進行倍率測試時，在高達4 A g?1的電流密