石墨烯纳米筛负载空心氧化铁复合薄膜的大规模制备及其在锂离子电池中的应用研究

作     者：田心 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王帅

授予年度：2019年

学科分类：0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：石墨烯纳米筛 空心氧化铁 柔性复合薄膜 高载量 锂离子电池 

摘      要：锂离子电池作为一种极具发展前景的电化学系统之一,由于其高能量密度、高安全性和长的循环寿命,在便携式电子设备中得到了广泛的应用。传统的刚性电池系统不能满足柔性可穿戴设备的柔韧性需要,因此急需开发一种柔性独立式电极来实现柔性电子设备的设计和生产所需的可穿戴/柔性电池,同时也迫切需要合理地设计和构建具有高能量/功率密度和长循环寿命的新型纳米结构电极材料。尽管纳米结构材料已显示出电化学能量储存的非凡前景,但低载量的电极(商用电极10 mg cm)一直是一个限制因素,因为电极较厚就会影响离子的扩散和传输,导致电池整体性能严重下降。石墨烯纳米筛是当前科技前沿中一种新型的二维多孔材料,其平面多孔的结构有利于电解质离子的纵向传输,缩短了离子传输路径,有效避免了传统石墨烯材料存在的普遍问题,如π-π堆叠造成的活性面积低、纵向传输差、离子传输路径长和电解液不易浸润等,在储能领域中表现出比传统石墨烯组装体材料更为优异的性能。空心结构能够增加电解液的接触面,缩短电子离子的传输路径以及缓冲体积膨胀。基于此,我们将石墨烯纳米筛和空心氧化铁有机地结合在一起构筑纳米复合结构,做到“扬长避短以提高电极结构的稳定性,以期得到高载量高性能的锂离子电池电极材料。本论文设计开发一种简单通用的热力学诱导自发组装和原位掺杂结合碳热还原和柯肯达尔效应来实现石墨烯纳米筛负载空心氧化铁复合薄膜的宏观可控制备的方法。利用金属铁基底表面自发组装的石墨烯薄膜中掺杂有大量的超细金属氧化物纳米粒子,而这些负载在石墨烯纳米片表面的金属氧化物纳米粒子在高温下具有原位碳热还原造孔的作用。与传统石墨烯薄膜电极相比,石墨烯纳米筛表面丰富的孔结构使得其作为电极材料时拥有更大的比表面积,尤其是在电极厚度增加时,电解质离子可以在垂直于平面的轴向上传递,缩短了离子传输路径。氧化铁理论比容量高可作为下一代锂离子电池的理想候选材料,但循环体积膨胀严重,空心氧化铁结构可以有效的缓解这一问题。由于这两个结构单元的自然集成优势,协同提供了一个强大的结构,大的比表面积和有效的电子/离子传输路径,新开发的柔性石墨烯纳米筛负载空心氧化铁复合薄膜(H-FeO/GMF)作为独立的锂离子电池负极材料在高质量负载下提供高面积容量和高倍率能力。值得注意的是,H-FeO/GMF薄膜电极表现出高比容量(0.2 A g时为1091.4 mAh g)、超高倍率(10 A g时为610.5 mAh g,20 A g时为410.8 mAh g)和良好的循环稳定性(1000次循环后98%的容量保持率)。通过简单的折叠柔性H-FeO/GMF薄膜的方法增加整个电极材料的载量(厚度),当载量为16.8 mg cm时面积比容量高达13.44 mAh cm,体积比容量高达960 Ah L,并且组装成的全电池器件具有良好的循环稳定性和可弯折性,使柔性H-FeO/GMF薄膜电极有望达到实际应用的要求。这是FeO基负极材料报道的最佳结果之一,本工作为开发高性能/高载量锂离子电池电极材料提供了新的研究思路。