论文部分内容阅读
锂离子电池由于具有循环寿命长、质量轻、无记忆效应和工作温度范围宽等优点已经成为当今社会应用最广泛的储能技术。虽然,近几年,电动汽车的兴起进一步促进了锂离子电池的发展,但是目前商业化的石墨负极较低的理论容量却限制了其在动力电池中的进一步应用。因此,开发具有高能量密度和高功率密度的新型负极材料来取代容量较低的石墨负极能够有效地促进电动汽车市场的快速发展。在众多锂离子电池的负极材料中,石墨烯由于具有高的锂离子扩散率、优异的导电性、高的理论比容量、灵活的多孔结构和大的比表面积被认为是发展先进锂离子电池的理想负极材料。由于杂原子掺杂能够有效地提高石墨烯负极的电化学性能,且掺杂位置和掺杂量对石墨烯负极的储锂性能具有重要的影响,因此探究如何通过控制掺杂位置和掺杂量来有效地提高石墨烯负极的电化学性能对于发展高性能锂离子电池具有重要的作用。综上所述,本文基于先前所报道的边缘碘化能够改善石墨负极电化学性能的研究,进一步研究了碘化位置和碘的掺杂量分别对石墨烯负极储锂性能的影响,从而为可控地制备高性能的杂原子掺杂石墨烯负极材料提供了依据,其研究内容和结果主要包括以下三个方面:（1）本文首次通过理论计算研究了中央碘化和边缘碘化对石墨烯负极电化学性能的影响。结果表明,将碘掺入到石墨烯的中央部位或边缘部位都能够明显地提高石墨烯的电荷密度和导电性,且相比于边缘碘化的石墨烯（EIG）,中央碘化的石墨烯（CIG）展现出了更高的电荷密度和电子导电性。由于高的电荷密度和电子导电性能够有效地改善锂离子电池负极的电化学过程,因此上述结果预示着CIG负极比EIG负极具有更加优异的储锂性能。（2）本文分别利用一步水热法和球磨法成功地制备出了CIG和EIG两个样品,并将其作为锂离子电池的负极材料首次研究了碘化位置对石墨烯负极储锂性能的影响。实验结果表明,CIG负极具有更加优秀的储锂性能,在500 mA g-1的电流密度下循环180圈后,其比容量仍然高达1121 mAh g-1,大约为EIG负极比容量(434 mAh g-1)的2.6倍。甚至经过倍率测试后,继续在1 A g-1的电流密度下循环300圈后,CIG负极仍然能够释放749 mAh g-1的比容量,其每圈的容量衰退率仅为0.01%。CIG负极高的比容量、优异的倍率性能和长的循环寿命主要归因于以下三个方面:第一:CIG负极高的电荷密度和丰富的活性缺陷有效地增大了其储存锂离子的活性位点面积,从而确保了其高的储锂容量。第二:CIG负极高的电子导电性极大地加快了锂离子和电子在电极材料中的传输,从而确保了其优异的倍率性能。第三:CIG负极稳定的结构经锂离子的反复嵌入和脱出后不会发生明显的团聚和塌陷,因此其展现了优秀的循环稳定性。（3）本文通过调控加入碘化钠的用量,利用一步水热法制备出了具有不同掺杂量的碘掺杂石墨烯材料(I-RGO0.0025,I-RGO0.01和I-RGO0.02),并将其作为锂离子电池的负极材料研究了碘的掺杂量对石墨烯负极储锂性能的影响。实验结果表明,虽然较多的碘掺杂能够为锂离子的储存引入更多的褶皱和缺陷位点,但是也会阻碍锂离子在活性材料中的传输,从而降低电极的储锂容量。因此,具有适当掺杂量的碘掺杂石墨烯负极I-RGO0.01展现出了最好的储锂性能,在1 A g-1的电流密度下循环390圈后,其容量仍然高达958.1 mAh g-1,分别是I-RGO0.0025(568.8mAh g-1)和I-RGO0.02(708.1 mAh g-1)负极比容量的1.7和1.4倍。更加重要的是,即使分别在2 A g-1和4 A g-1的电流密度下循环1045和2000圈后,I-RGO0.01负极仍然能够保持525.8 mAh g-1和343.1 mAh g-1的高倍容量,每圈的容量衰退率低至0.032%和0.024%。I-RGO0.01负极高的比容量、优异的倍率性能和长的循环寿命表明其有可能成为下一代高性能锂离子电池的理想负极材料。