论文部分内容阅读
新能源汽车的发展和电子设备的普及对锂离子电池的能量密度、倍率性能和循环寿命等方面提出了更高的要求。因此,设计和制备高性能的锂离子电池电极材料便显得尤为重要。石墨烯由于具有超大的比表面积、超高的电导率和超高的电子迁移率等特点,成为了当前锂离子电池和超级电容器等储能材料的研究热点。若以石墨烯直接用作锂离子电池负极材料,则会存在不可逆容量大、首次库伦效率低、倍率性能和循环性能差等问题。基于此,本文以化学氧化法制备的氧化石墨烯(GO)为基体材料,利用GO丰富的化学修饰和诱导自组装特性,以多种聚合物为炭前驱体,通过诱导自组装、热解还原等工艺制备出具有柱撑结构的炭/石墨烯复合材料。研究了表面活性剂改性、炭前驱体的种类及炭前驱体与GO质量比对炭柱撑石墨烯复合材料结构和电化学性能的影响。具体的研究内容及结果如下:(1)以GO、丙烯酸为原料,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂,通过溶液蒸发诱导自组装及热解还原处理,成功制备出聚丙烯酸炭柱撑石墨烯复合材料(PAGR)和聚丙烯酸炭柱撑改性石墨烯复合材料(CT-PAGR)。对比分析了纯石墨烯(GR)、PAGR和CT-PAGR的结构和电化学性能,探讨了CTAB对PAGR复合材料结构与电化学性能的影响。结果表明,聚丙烯酸炭的柱撑作用明显提高了石墨烯的电化学性能。PAGR在100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量为411mAh/g,首次库伦效率为52.6%,均优于GR的首次可逆比容量和首次库伦效率(340 mAh/g,48.6%)。添加CTAB改性后得到CT-PAGR复合材料,100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量仅为302 mAh/g,首次库伦效率仅为31.5%,远低于GR和PAGR。说明CTAB降低GO亲水性后降低了PAGR复合材料的均匀性,且同时采用两种聚合物作为炭支柱前驱体时,电化学性能较差。(2)以高氮含量的小分子三聚氰胺为炭前驱体,三聚氰胺利用π-π键吸附在GO表面和层间,经过超声分散、溶液蒸发诱导自组装及热解还原处理后,制备出三聚氰胺炭柱撑石墨烯复合材料(MGR)。MGR中的氮原子含量为8.43 atom%,其中吡啶氮含量接近50%,高于大多数氮掺杂石墨烯中的氮含量。以MGR为锂离子电池负极材料,表现出了较高的比容量和倍率性能,100 mA/g电流密度下的首次可逆比容量为512 mAh/g,首次库伦效率为57.2%,当电流密度增大至1A/g时,仍具有272 mAh/g的可逆比容量。由于三聚氰胺是一种小分子有机物,炭化收率低,位于石墨烯片层间起柱撑作用的三聚氰胺炭较少,因此,MGR的结构稳定性和循环性能较差。(3)采用高氮含量的高分子聚苯胺为炭前驱体,通过真空抽滤诱导自组装及热解还原处理,成功制备出具有柱撑结构的聚苯胺炭/石墨烯复合材料(PGR),考察了聚苯胺单体(AN)与GO质量比对PGR复合材料结构和电化学性能的影响。结果表明,聚苯胺炭的柱撑作用明显提高了GR的结构稳定性和电化学性能。AN与GO质量比为1:1时制备的样品PGR1在100 mA/g电流密度下的首次脱锂比容量为653 mAh/g,当电流密度增大至1 A/g时仍具有高达343 mAh/g的脱锂比容量,超过纯石墨烯样品脱锂比容量(101 mAh/g)的3倍,具有优异的倍率性能。