论文部分内容阅读
近年来,锂离子电池以其高能量密度而被认为是新能源汽车以及储能电站等应用的理想选择。为了进一步提高锂离子电池的电化学性能,延长循环使用寿命,需要进一步开发新型电极材料。近些年由于锂离子电池负极材料的高容量、高安全性而收到广泛研究,但是又因为传统负极材料容量有限,新型负极材料循环容量衰减较快。因此,本论文设计并制备了锂离子电池的负极,表征其电化学性能。1.采用碳包覆和纳米化的方法,通过对石墨烯浆料和铁离子悬浮液进行冷冻干燥,然后采用一步溶剂热的方法来原位合成石墨烯纳米片负载Fe3O4纳米颗粒(GNSs/Fe3O4 NPs)的复合材料作为锂离子电池负极材料。我们发现通过控制石墨烯纳米片与Fe3O4纳米颗粒的质量比,可以将负载在石墨烯纳米片上的Fe3O4颗粒的尺寸调节在20 nm至100 nm之间。当GNSs与Fe3O4的质量比为1:2时,获得的Fe3O4纳米颗粒的直径约为40 nm。在不添加任何其他导电剂的情况下,由GNSs/Fe3O4(1:2)复合材料制成的锂离子电池可以显示出较高的可逆容量(在100 mA g-1下循环120次后具有1145 mAh g-1)和出色的倍率能力(在0.5和1 A g-1时分别具有650 mAh g-1和530 mAh g-1的放电比容量)。优异的性能归因于负载石墨烯纳米片的Fe3O4纳米颗粒的独特形态,其中Fe3O4纳米颗粒可以稳定地分散在石墨烯表面上,从而在锂离子嵌入/脱出过程中保持较大的比表面积和结构完整性。2.采用空心纳米球和碳包覆的方法,构建了还原氧化石墨烯/空心四氧化三铁纳米球/碳纳米管(rGO/h-Fe3O4/CNTs)三元异质结构纳米复合材料。三元异质结构的设计由一维纳米管,二维纳米片和三维空心球组成。获得的三元异质结构被认为有效地减轻了锂离子电池循环过程中的体积变化。具有出色导电性,大比表面积的CNTs和rGO有利于电子传输;具有中空形态的h-Fe3O4球有利于在充电和放电期间保持结构稳定性,因此获得更为优异的锂离子电池的性能。此外,CNTs的浓度可以有效地调节h-Fe3O4球的尺寸。就rGO/h-Fe3O4二元纳米复合电极而言,该电极有较高的可逆比容量(在100 mAg-1下循环120次后具有913 mAh g-1),并具有显着的倍率能力(在0.5和1 A g-1时为525和371 mAh-1),而rGO/h-Fe3O4/CNTs三元异质结构纳米复合电极具有较为优秀的长循环性能(在100 mA g-1下500次循环后约484 mAh g-1)和快速的充放电效率(一个周期约4.09小时)。3.采用原位聚合的方法,在不使用常规的氧化剂的情况下,通过利用温和的氧化剂(GO)缓慢原位氧化聚合苯胺(ANI)从而还原GO进而获得rGO/PANI复合物。深入研究了聚苯胺改性的还原氧化石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能并且探讨了原位合成的反应机理。结果表明低分子量的聚苯胺通过化学键牢固接枝在还原氧化石墨烯表面,微观结构更加稳定。rGO/PANI复合电极材料相比于未改性的rGO电极材料有着更高的放电比容量,更为优异的长循环稳定性能(在100 mA g-1电流密度下经过300次循环后具有约为667 mAh g-1的放电比容量),以及更好的倍率性能(在0.5和1 A g-1时放电比容量分别为444 mAh g-1和359 mAh g-1)和更小的电荷转移阻抗(Rct为388.7 Ω)。相比rGO电极材料35.36%的首次库伦效率,PANI复合改性的rGO/PANI复合电极材料提升至50.07%。