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低温化学解理石墨烯的改性及电化学性质研究

作　者: 游从辉
导　师: 杨全红
学　校: 天津大学
专　业: 应用化学
关键词: 石墨烯 透明薄膜 超级电容器 锂离子电池 导电剂 负极
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


石墨烯是一种具有柔性二维平面结构的新型碳质材料,具有比表面积巨大、导电性能优良等突出优点,在太阳能电池、超级电容器和锂离子电池等领域具有良好的应用前景。本文首先采用气液界面自组装成膜法制备得到了透明度可控调节的氧化石墨烯薄膜;然后研究了基于低温化学解理石墨烯的超级电容器、锂离子电池导电剂以及锂离子电池负极的电化学特性。结果表明,石墨烯在电化学储能应用方面具有巨大潜力。采用气液界面成膜法制备得到了透明度可调节的氧化石墨烯薄膜。研究发现,随着氧化石墨烯溶胶pH值(2-13之间)的增加,其透明度不断降低,相应制备得到的氧化石墨烯薄膜的透光度也逐渐降低:当氧化石墨烯水溶胶的pH为2.0时,所制备的氧化石墨烯薄膜在全波段均具有较高的透明度,但当水溶胶的pH为11.0时,薄膜在全波段的透明度均较低。石墨烯在不同温度下热处理改性后电化学性质将发生明显变化。对于水系石墨烯基超级电容器,随着热处理温度的提高,其放电比容量呈降低的趋势:在50 mA/g的电流密度下充放电时,基于原始石墨烯的超级电容器比容量能达到250 F/g,但900℃热处理后的石墨烯(GN(900))超级电容器的比容量仅为25 F/g;特别的,300℃热处理后的石墨烯(GN(300))超级电容器具有最大的放电比容量,达到302 F/g。对于有机系石墨烯基超级电容器,随着热处理温度的提高,其放电比容量不断减少。石墨烯锂离子电池导电添加剂具有良好的导电性能。正极材料中添加较低含量(2.0 wt%)时,表现出优异的性能,通过对石墨烯进行热处理后,其性能还可以进一步提高。与添加最佳量的传统锂离子电池导电剂(20.0 wt%的Supper-P)的导电性能相比,添加2.0 wt% 500℃热处理后的石墨烯(GN(500))导电剂的锂离子电池不仅具有更佳的电化学性能,而且用量也大大的降低,从而有效的降低了成本,提高了电池的体积能量密度。石墨烯做为锂离子电池负极时具有大的比容量。单纯的石墨烯作为锂离子电池负极时,虽然比容量巨大(GN(300)的首次充电比容量能达到905 mAh/g),但没有充放电平台。GN(300)-Al复合锂离子电池负极材料具有巨大的比容量(首次充电比容量能达到1134.6 mAh/g),充放电平台平稳且平台电位较低(0.42V)、循环性能较好(循环十周后其充电比容量能仍然能达到850 mAh/g)等突出优点,是一种非常理想的锂离子电池负极材料。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-28
  1.1 前言  9-10
  1.2 石墨烯及其薄膜的可控制备研究进展  10-17
    1.2.1 物理法制备石墨烯  10-11
    1.2.2 化学法制备石墨烯  11-15
    1.2.3 石墨烯纳米带的制备  15-16
    1.2.4 石墨烯基薄膜的制备  16-17
  1.3 石墨烯作为储能材料的研究进展  17-26
    1.3.1 石墨烯基超级电容器——快速充放电储能器件  17-19
    1.3.2 石墨烯导电剂——LIB 正极活性物质颗粒间的“桥梁”  19-24
    1.3.3 石墨烯及其复合物——锂离子电池新型负极材料  24-26
  1.4 本课题的研究内容及意义  26-28
第二章 实验方法和仪器  28-36
  2.1 实验药品和仪器  28-30
    2.1.1 实验药品  28-29
    2.1.2 实验设备与仪器  29-30
  2.2 实验方法  30-32
    2.2.1 石墨烯的宏量制备  30
    2.2.2 透明氧化石墨薄膜的自组装  30-31
    2.2.3 电容器及电池制作  31-32
  2.3 材料表征  32-34
  2.4 电化学性能测试  34-36
    2.4.1 循环伏安(CV)测试  34
    2.4.2 交流阻抗(EIS)测试  34-35
    2.4.3 充放电测试  35-36
第三章 透明氧化石墨烯薄膜的制备及其透明度的调节  36-48
  3.1 引言  36-37
  3.2 透明度可控的氧化石墨烯薄膜的制备  37-38
    3.2.1 原始氧化石墨烯水溶胶的制备  37-38
    3.2.2 不同透明度氧化石墨烯薄膜的制备  38
  3.3 实验结果与讨论  38-44
    3.3.1 透明度分析  38-41
    3.3.2 母液中氧化石墨烯片层尺寸分析  41-42
    3.3.3 XPS 分析  42-43
    3.3.4 机理分析  43-44
  3.4 超声处理母液对制备的氧化石墨烯薄膜透明度的影响  44-46
    3.4.1 超声处理对母液透明度的影响  44-45
    3.4.2 超声处理对制备的氧化石墨烯薄膜透明度的影响  45-46
  3.5 本章小结  46-48
第四章 基于低温膨化石墨烯的超级电容器性质研究  48-61
  4.1 引言  48
  4.2 石墨烯表征  48-50
    4.2.1 XPS 测试  48-49
    4.2.2 比表面积测试  49-50
  4.3 基于低温膨化石墨烯的水系超级电容器电化学性质研究  50-57
    4.3.1 充放电测试  51-56
    4.3.2 循环伏安(CV)与交流阻抗(EIS)测试  56-57
  4.4 基于低温膨化石墨烯的有机系超级电容器电化学性质研究  57-59
  4.5 本章小结  59-61
第五章 基于石墨烯导电剂的锂离子电池性质研究  61-72
  5.1 引言  61-62
  5.2 不同温度热处理石墨烯导电剂对锂离子电池性能的影响  62-64
    5.2.1 添加10.0wt%石墨烯的锂离子电池充放电性能研究  62-63
    5.2.2 添加2.0wt%石墨烯的锂离子电池充放电性能研究  63-64
  5.3 石墨烯与Supper-P 导电性能比较  64-66
  5.4 不同用量的石墨烯导电剂对锂离子电池性能的影响  66-71
    5.4.1 充放电测试  66-68
    5.4.2 石墨烯作为导电剂的机理分析  68-69
    5.4.3 交流阻抗测试  69-71
  5.5 本章小结  71-72
第六章 基于石墨烯及其复合物负极的锂离子电池性质研究  72-82
  6.1 引言  72
  6.2 基于石墨烯负极的锂离子电池性质研究  72-75
    6.2.1 充放电行为  72-74
    6.2.2 循环伏安与交流阻抗测试  74-75
  6.3 基于石墨烯与Al 复合负极的锂离子电池性质测试  75-81
    6.3.1 样品形貌分析  75-77
    6.3.2 充放电测试  77-80
    6.3.3 循环伏安与交流阻抗测试  80-81
  6.4 本章小结  81-82
第七章 结论与展望  82-85
  7.1 本文结论  82-83
  7.2 感想与展望  83-85
参考文献  85-95
科研情况说明  95-96
致谢  96

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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