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新型碳材料及其复合材料的制备与电化学性能研究

作　者: 邱兰
导　师: 曹洁明
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 物理化学
关键词: 还原氧化石墨功能化石墨烯介孔碳纳米管金属氧化物复合材料锂离子电池
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

锂离子二次电池具有能量密度高、循环寿命长、无污染等优点，已成为最具潜能的储能装置。商业化石墨碳材料作为锂离子电池负极材料具有良好的循环性能，但比容量较低，不能满足当前锂离子电池的发展需要，迫切需要进行新型高容量负极材料的研究和探索。过渡金属物的比容量较高，但是循环性能和倍率性能都很差。为了解决这个问题，人们已经开始研究碳材料与金属氧化物形成纳米复合材料来改善材料的锂电性能。本文制备了新型的碳材料，以及以其为基底，采用不同的化学方法制备RGO-CNTs-Co₃O₄、C-Co₃O₄-FGS及MCNTs-Fe₂O₃复合材料，并研究了样品的电化学性能。利用低温水热反应和低温热处理相结合的方法制备了还原氧化石墨烯（RGO）、碳纳米管（CNTs）和Co₃O₄的三元纳米复合材料（RGO-CNTs-Co₃O₄）。反应过程中，利用肼作为还原剂，将氧化石墨还原成石墨烯，同时作为沉淀剂与硝酸钴反应，在石墨烯和CNTs表面生成氢氧化钴，经低温热处理得到RGO-CNTs-Co₃O₄三元复合材料。对样品进行电化学测试，在电流密度为100mA/g时，三元复合材料的首次放电比容量达1650mA·h/g，在50次充放电循环后其比容量仍保持在1261mA·h/g，容量保持率仍为76.4%，第五次至第五十次的容量保持率接近于100%。采用简单的两步水热法，合成了碳包覆的四氧化三钴与石墨烯复合材料，通过扫描SEM、TEM及XRD对样品的形貌和结构进行了表征。结果显示，碳化的葡萄糖微球完全包覆了Co₃O₄粒子，并且较均匀的负载在片层石墨烯片表面及片层间。C-Co₃O₄-FGS复合材料在100mA/g电流密度下，在50次充放电循环后其比容量仍保持在844mA·h/g，性能远优于单一的FGS、Co₃O₄以及Co₃O₄-FGS，说明C-Co₃O₄-FGS复合材料是一种有应用潜力的负极材料。制备了新型介孔碳纳米管（MCNTs）复合材料，并研究了电化学性能。用溶剂热法，以乙二醇作为碳源，醋酸锌为结构导向剂，合成了高比表面积的新型介孔碳纳米管。其在电流密度100mA·h/g下，充放电50次后，比电容保持在889mA·h/g，第五次至第五十次的容量保持率为90.0%。采用浸渍低温热分解法合成了MCNTs-Fe₂O₃复合负极材料。在电流密度为100mA/g时，复合材料的首次放电比容量达1850mA·h/g。第五次至第五十次次充放电后，容量保持率接近于100%。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-27
  1.1 引言  13
  1.2 锂离子电池概述  13-16
    1.2.1 锂离子电池的特点  13-15
    1.2.2 锂离子电池的工作原理  15
    1.2.3 离子电池的结构和组成  15-16
  1.3 离子电池的电极材料  16
  1.4 正极材料  16-17
  1.5 负极材料  17-25
    1.5.1 碳基负极材料  17-24
      1.5.1.1 零维碳负极材料-富勒烯  18-19
      1.5.1.2 一维碳负极材料-碳纳米管  19-20
      1.5.1.3 二维碳材料负极材料-石墨烯  20-23
      1.5.1.4 三维碳材料负极材料-石墨  23-24
    1.5.2 非碳基负极材料  24-25
  1.6 本文的研究意义及主要内容  25-27
第二章石墨烯/碳纳米管/Co_3O_4三元复合材料的制备与锂电性能研究  27-40
  2.1 引言  27-28
  2.2 实验部分  28-29
    2.2.1 主要药品  28
    2.2.2 实验仪器表  28
    2.2.3 样品的制备  28-29
      2.2.3.1 GO 的制备  28-29
      2.2.3.2 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的制备  29
    2.2.4 样品的表征与电化学性能测试  29
  2.3 结果与分析  29-38
    2.3.3 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的 XRD 分析  29-30
    2.3.4 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的 SEM 分析  30
    2.3.5 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的 TEM 分析  30-31
    2.3.6 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的 FT-IR 分析  31-32
    2.3.7 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的氮气吸脱附分析  32-33
    2.3.8 RGO-CNTs-Co_3O_4三元复合材料的电化学性能分析  33-38
  2.4 机理分析  38
  2.5 本章小结  38-40
第三章水热法合成新型碳包覆的四氧化三钴/石墨烯复合材料及其锂电性能研究  40-52
  3.1 引言  40-41
  3.2 实验部分  41-43
    3.2.1 主要药品  41
    3.2.2 实验仪器  41-42
    3.2.3 样品的制备  42
      3.2.3.1 功能化石墨烯(FGS)的制备  42
      3.2.3.2 水热法制备 Co_3O_4-FGS  42
      3.2.3.3 水热法制备碳包覆的 Co_3O_4/FGS 的复合材料  42
    3.2.4 样品的表征和电化学测试  42-43
  3.3 结果与分析  43-50
    3.3.1 C-Co_3O_4-FGS 复合材料的 XRD 分析  43
    3.3.2 C-Co_3O_4-FGS 复合材料的 SEM 分析  43-45
    3.3.3 C-Co_3O_4-FGS 复合材料氮气吸脱附分析  45-46
    3.3.4 C-Co_3O_4-FGS 复合材料热重分析  46
    3.3.5 C-Co_3O_4-FGS 复合材料电化学性能分析  46-50
  3.4 机理分析  50
  3.5 本章小结  50-52
第四章新型介孔碳纳米管-三氧化二铁负极材料的制备及其电化学性能研究  52-64
  4.1 引言  52-53
  4.2 实验部分  53-54
    4.2.1 实验试剂  53
    4.2.2 实验仪器  53
    4.2.3 样品的制备  53-54
      4.2.3.1 介孔碳纳米管(MCNTs)的制备  53-54
      4.2.3.2 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的制备  54
    4.2.4 样品的表征和电化学测试  54
  4.3 结果讨论与分析  54-63
    4.3.1 MCNTs 及 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的 X 射线衍射分析  54-55
    4.3.2 MCNTs 及 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的的 SEM 分析  55-56
    4.3.3 MCNTs 的 FT-IR 分析  56-57
    4.3.4 MCNTs 及 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的氮气吸脱附分析  57-59
    4.3.5 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的热重分析  59
    4.3.6 MCNTs 及 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的电化学性能分析  59-63
      4.3.6.1 MCNTs 的电化学性能分析  59-61
      4.3.6.2 MCNTs 及 MCNTs-Fe_2O_3复合材料的电化学性能分析  61-63
  4.4 机理分析  63
  4.5 本章小结  63-64
第五章总结与展望  64-67
  5.1 总结  64-65
  5.2 创新点  65
  5.3 研究工作展望  65-67
参考文献  67-75
致谢  75-76
在学期间的研究成果及发表的学术论文  76

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