黑磷的制备改性及其复合材料在锂离子电池中的应用

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近年来,锂离子电池在人们的实际生产生活中的应用越来越广。自从二维黑磷被成功剥离以来,二维黑磷由于其特殊的结构以及高达2596m Ah g-1的理论比容量在锂离子电池负极材料领域受到人们的广泛关注。但是黑磷环境稳定性较差,在制备电池过程中容易发生降解,黑磷较差的导电性导致电子转移过程中阻抗较大,同时黑磷在充放电过程中体积膨胀较大,导致电极结构被破坏,电池的循环性能很差。为了解决黑磷在实际应用中面临问题,本文探究了黑磷的改性,同时通过制备复合材料来改善电池的电化学性能。(1)黑磷单晶可以通过矿化剂法制备。在采用红磷500 mg、锡粉30 mg、碘化高锡15 mg的原料比例时,黑磷的产率高达86%,同时在反应过程中没有白磷产生。通过高能球磨法制备二维黑磷,在球磨过程中加入硝酸银溶液对黑磷进行修饰改性。在球磨过程中,银离子更容易与黑磷表面磷原子的孤对电子配位结合,避免的氧原子与磷原子的结合,从而避免了黑磷的进一步降解。在暴露在空气中5天后,黑磷晶体结构保持较完整,样品中氧原子含量较低。黑磷的环境稳定性得到了有效改善。(2)采用两步球磨法制备不同比例黑磷/石墨烯复合材料,探究了不同石墨烯含量的复合材料对黑磷基锂离子电池电化学性能的影响。在500 m A g-1的电流密度下,石墨烯含量为5wt%、10wt%的复合材料的首圈放电比容量依次为1608.6 m Ah g-1、1088.6 m Ah g-1,在经过100圈的充放电循环后放电比容量依次为833.1 m Ah g-1、313.5 m Ah g-1。在不同的电流密度下依次进行充放电测试,在恢复到初始电流密度后,容量保持率较高。当石墨烯含量为5%时,黑磷基锂离子电池的电化学性能最优。石墨烯的加入能够增加黑磷的比表面积,提高复合材料的导电性,加快氧化还原过程中电子的运输,同时石墨烯的加入能够有效缓冲体积膨胀,循环后电极片结构完整。但是石墨烯含量增多后,石墨烯产生部分团聚,阻碍锂离子的运输,电池的电化学性能下降。
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