论文部分内容阅读
目前锂离子电池的负极材料普遍采用商业石墨。但石墨应用于锂离子电池负极材料却受限于其较低的理论容量(372 mA h g-1)等缺点,因此,本课题的主要目的在于提升锂离子电池石墨负极材料的性能。我们通过以石墨为原料,先采取化学氧化热还原后利用CO2超临界流体进一步剥离的合成方法制备了在低电压平台上具有较高容量的磷硫双掺多层石墨烯。透射电镜观察表明磷硫双掺石墨烯的层数大部分在在3-6层之间;在经过氧化剂插层以及剥离等反应步骤后,材料的堆积密度明显减小,X射线衍射光谱(XRD)以及拉曼能谱扫描(Raman)等证实石墨层间距较石墨明显增大,由杂原子的引入而带来缺陷位的增多;EDS面扫描显示磷原子与硫原子均匀地分布于石墨层上,X射线光电子能谱结果表明掺磷量和掺硫量分别达到了1.34和2.01 atom%。磷硫双掺石墨烯作为锂离子电池负极材料,展现了极高的比容量,在50 mA g-1的电流密度下达到了532 mA h g-1;很优异的循环稳定性,分别在150 mA g-1和1000 mA g-1的电流密度下循环100圈后容量没有衰减;在0-0.3 V电压区间可以看到稳定可逆的电压平台,并且循环后的该平台的容量可达450 mA h g-1,贡献了全部容量的80%以上。相较于原始的石墨材料,磷硫双掺石墨烯在性能上提升显著。用磷酸铁锂(Li FePO4)作为正极,石墨烯作为负极,我们进行了容量匹配并组装了全电池。在0.2 C的电流密度下容量可达165 mA h g-1,明显优于石墨材料的全电池(130 mA h g-1),同时展现了极佳的循环稳定性,2 C循环100圈容量仍有94.4%。为了解决锂离子电池在首圈的不可逆容量过大问题,我们将铝锂合金粉与有机电解液混合,填补了石墨层上的一部分不可逆的储锂活性位。同样组装了电池进行测试,结果显示半电池和全电池的首圈库伦效率均可以达到98%以上,相较于普通锂离子电池的60-70%,有了明显的改善。总之,本课题采用超临界流体剥离法制备了磷硫双掺石墨烯这一优异的锂离子电池负极材料,相较于原始的石墨材料,性能提升显著;并运用铝锂合金粉解决了锂离子电池首圈不可逆容量过高、库伦效率过低的问题,具有很高的实用价值。