本文選題：石墨烯 + 金屬氧化物　； 參考：《大連理工大學》2016年博士論文

【摘要】：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等特點而備受關注,在便攜式電子設備等領域已經得到了廣泛應用,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意義與實用價值。本論文基于高比容量電化學物質(金屬氧化物或硫)與二維石墨烯構筑高性能電極材料,主要針對金屬氧化物結構穩(wěn)定性差及硫正極的穿梭效應,提出納米結構設計與界面調控并重的科學理念,發(fā)展了石墨烯/CoO復合氣凝膠無粘結劑負極、空心金屬氧化物強耦合石墨烯復合負極、石墨烯/SnO2/聚苯胺三明治復合負極以及功能化石墨烯/硫正極、石墨烯基碳/S/聚吡咯三明治復合正極。主要研究內容如下：可壓縮石墨烯/CoO復合氣凝膠無粘結劑電極的創(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劑電極,100次循環(huán)測試后仍展現出550 mAh g-1以上的比容量,優(yōu)于CoO粉末電極電化學性能。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。結合晶體控制生長、炭熱還原、和Kirkendall效應等基本原理,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路線,可普適制備多種過渡金屬氧化物(MO)空心納米結構與石墨烯的復合結構(h-MO@C@G),如 h-Fe2O3@C@G、h-Co3O4@C@G和h-NiOx@C@G。通過PVP的用量可實現對MO空心納米結構尺寸大小和二維大孔結構的精細調控。金屬氧化物空心納米結構以及其與石墨烯的強復合界面協(xié)同提高了復合物的結構穩(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300 mAh g"1的高倍率性能。石墨烯/Sn02/聚苯胺三明治復合負極的構筑。通過Sn2+還原GO實現SnO2在石墨烯表面上的原位生成與錨定,在植酸輔助下實現SnO2納米顆粒的聚苯胺(Pani)包覆。Sn02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三明治的片狀結構有利于電解液的擴散,縮短鋰離子的傳輸路徑,Sn02納米顆粒埋覆在導電高分子層和石墨烯中間,大大提高SnO2的導電性與結構穩(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電極表現出高達700 mAh g-1的比容量(接近SnO2理論比容量),在2000 mA g-1電流密度下比容量高于200 mAh 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負載硫,熔融擴散得到硫涂覆的EFG復合物(EFG-S),試驗表征和理論計算結果表明EFG可實現對硫及放電產物硫化鋰的強吸附,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電極結構穩(wěn)定。350次循環(huán)后保持650 mAh g-1的高比容量,對應于80%的比容量保持率。石墨烯基碳/硫/聚吡咯三明治復合正極的構筑。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構,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構穩(wěn)定,所得GCS@PPy電極可展現出高達935 mAh g-1的首放電比容量,400次循環(huán)測試中每圈容量衰減率僅為0.05%,4 C電流密度下430 mAh g-1的高倍率性能。
[Abstract]:A high - performance electrode material is prepared by using graphene oxide ( GO ) as raw material and pyrrole as auxiliary agent . Sulfur melt diffusion and PPy coating successfully encapsulate the sulfur in the polyazole and graphene mesoporous carbon sheet ( GCS @ PPy ) . The sandwich GCS @ PPy keeps the two - dimensional sheet structure of the graphene , which is beneficial to improving the sulfur utilization rate and the diffusion of the electrolyte , and simultaneously , PPy , graphene and mesoporous carbon can effectively improve the conductivity of the sulfur and buffer the volume change of the sulfur in the charge and discharge process , thereby facilitating the structure stability of the electrode , and the obtained GCS @ PPy electrode can exhibit the first discharge specific capacity of up to 935 mAh g - 1 , and the capacity attenuation rate of the obtained GCS @ PPy electrode is only 0.05 % and the high rate performance of 430 mAh g - 1 at 4 C current density .

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM912
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本文編號：1788759