石墨烯三维结构的制备与调控及其在锂离子电池中的应用

作     者：林建达 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭建维;廖兵

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：石墨烯 五氧化二铌 五氧化二钒 锂离子电池 

摘      要：随着电动汽车、便携电子设备和柔性电子设备的发展,人们对高能量密度和高功率密度锂离子电池的需求不断增加。三维石墨烯由于具有良好的导电性、高比表面和高机械强度,十分适合应用于锂电池电极材料以提高材料的导电性和锂离子扩散性能。对三维石墨烯孔道结构的调控,是设计高性能导电网络框架并应用于锂离子电池的关键之一。三维石墨烯具有良好的分级多孔结构,可以促进锂离子在电极材料中的快速扩散,同时高稳定性的石墨烯框架可以提高电极材料的循环寿命。本文使用调控二环己基碳二亚胺(DCC)与氧化石墨烯(GO)质量比(m:m)的策略,通过水热法制备三维石墨烯材料,根据DCC的用量实现三维石墨烯形貌与孔道结构的调控。并结合NbO和VO制备出石墨烯基复合电极材料,通过扫描电镜、氮气吸附脱附等结构表征和恒电流充放电、电化学阻抗谱等电化学测试方法,探究DCC调控策略在锂离子电池中的应用。同时,为了实现电极材料的自支撑结构,以获取最直观的电化学性能表现,本文制备的电极材料没有添加额外的导电剂和粘结剂。本文研究内容主要分为以下三个方面:(1)使用DCC和GO为原料,调节不同的m:m比值,通过一步水热法制备出三维石墨烯材料(TDGAs)。结构表征发现,随着DCC用量的增加,TDGAs的形貌由珊瑚状向花瓣状转变,孔道类型由紧密堆积的窄口堵塞纳米孔向由石墨烯片部分重叠形成的疏松孔道转变。实验结果证明,增加DCC用量可以有效抑制石墨烯的团聚,并形成良好的孔道结构。(2)在调节m:m比值的同时,加入Nb Cl为原料,通过水热法制备出不同DCC用量的T-NbO@TDGAs复合电极材料。结构表征发现,改变DCC用量,T-NbO@TDGAs的形貌与TDGAs有相似的变化规律,说明DCC调节石墨烯孔道策略适用于复合材料的制备。同时没有添加DCC的T-NbO@G中的石墨烯发现严重的团聚,孔道结构主要为堵塞的纳米孔。其中,m:m比值为2:1的T-NbO@TDGAs-2表现出最优秀的电化学性能,20C倍率下可逆比容量为73 m Ah g,1C下首次放电比容量为230 m A g,循环200次后容量保留率为62.6%。而没有添加DCC的T-NbO@G在20C时的可逆比容量为20 m Ah g,1C下首次放电比容量为132 mA g,循环200次后容量保留率为36.3%。实验结果说明通过调节m:m比值可以实现对复合材料中石墨烯孔道结构的调控,制备出具有分级多孔结构的复合电极材料,提高电极材料的锂离子扩散性能和循环稳定性。(3)将m:m比值控制在2:1,通过两步水热法制备石墨烯包覆VO复合材料(VO@GC),同时通过一步水热法制备出没有石墨烯包覆的VO@G。结构表征发现,利用石墨烯包覆策略制备的VO@GC中VO的颗粒尺寸小于VO@G,并且孔径分布更加分散。电化学表征中,VO@GC和VO@G在0.2 A g电流密度下首次放电比容量分别为284 m Ah g和289 m Ah g,200次循环后容量保留率72%和50%,8.0 A g电流密度下可逆比容量分别为102 m Ah g和71 m Ah g。实验结果证明,更小的VO颗粒可以缩短锂离子在活性材料中的扩散距离,此外石墨烯包覆可以改善孔道结构,并提高电极材料整体的稳定性,因此VO@GC拥有良好的电化学性能表现。