石墨烯包覆硅顆粒及其鋰離子電池性能研究-1

1石墨烯包覆硅顆粒及其鋰離子電池性能研究第一章緒論mAhg-1)及低工作掉率限制了其發(fā)展的需求。雖然大量的研究已經(jīng)針對陽極材2Voltacell的發(fā)展歷程中，人類發(fā)明了種基原電池(又稱為一次電池)、鉛酸二次電池及鎳基二次電池。目前，這三種電該系統(tǒng)中，正負極材料均能夠實現(xiàn)可逆地嵌入及脫出Li+離子，從而成功地解元。3圖1.3鋰離子電池工作原理圖1.3所示為典型的鋰離子電池的工作原理圖。在鋰離子電池的放電過程(3)循環(huán)壽命長。商用鋰離子電池的壽命目前已經(jīng)達到了1000次以上；(4)無記憶效應。鋰離子電池可以隨時充電，而且其性能不會因此迅速降(5)自放電率小。月放電率小為6~8%；(6)安全性能。在電池的充放電過程中，鋰是以鋰離子的的形式脫出和嵌(7)環(huán)境友好。鋰離子電池中不含鉛、汞等有害的金屬元素，是一種“綠4(8)允許工作溫度范圍寬，低溫性能好。鋰離子電池典型的工作溫度范圍們將分別對正極材料和負極材料以及電解液的研究進展和未來的發(fā)展趨勢做一22方密堆積結構，LiCoO的理論放電容量為274mAhg-1，實際應用容量約為140mA22橄欖石結構的LiFePO屬正交晶系，空間群為Pmna，晶體結構如圖1.4.144上述正極材料相比，LiFePO原料來源最為豐富，因而有望大幅度降低電池成本。4LiFePO同時具有環(huán)保無污染、無毒性、結構穩(wěn)定、熱穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，是4下一代高功率動力型鋰離子電池首選正極材料之一。LiFePO的缺點是電導率較4有可能被還原為單質鐵，從而引起電池微短路，存在安全隱患。此外，LiFePO4的振實密度較低，電池成品率低且一致性較差。5圖1.4.1LiFePO晶體結構示意圖4xyz2構成鋰離子電池的要素之一為電解液，電解液為電池正負極之間提供Li離+(1)穩(wěn)定性高，在高壓下不會分解變質，且具有低熔點、高沸點特性，對(2)鋰鹽的溶解度和介電常數(shù)高，粘度??；(3)與電極材料有良好的相容性，可促進電極電化學性能的發(fā)揮；6理論容量(約為4200mAhg-1)和低電位(約為370mVvs.Li/Li+)。然而，到。鋰離子電池的充放電過程中嚴重的體積變化(約為380%)可能會導致活性材料多孔硅框架，硅碳納米管(CNTs)和硅/石墨烯復合材料因為其減少體積變化而提高硅基負極材料的穩(wěn)定性被報道。本論文我們提出了一個有效的方法合成了一種超薄氧化石墨烯/硅納米顆粒作為鋰離子電池自由粘結劑的陽極。結果表明，超薄的介孔石墨烯/納米硅薄膜7第二章樣品的制備及表征方法與儀器設備劑試劑名稱(化學式)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)無水乙醇(CH3CH2OH)長沙力元新材料有限公司2.1.2實驗用儀器設備8儀器設備德國賽多利斯(Sartorius)Mettler-Toledo)德國梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)2.2.1X射線衍射(XRD)X射線衍射(XRD)技術是一種最常用的測量并分析材料晶體結構的手段。晶粒結晶取向以及結晶度等的一系列晶體結構信息?；赬RD譜衍射峰的半高92.2.2拉曼光譜(Raman)時，會有約0.1%的入射光與物體的表面分子之間發(fā)生非彈性碰撞，因此，會發(fā)物體表面分子的振動和轉動的能級有關，而每種物質(分子)都會對應有他們自2.2.3掃描電子顯微鏡(SEM)掃描電子顯微鏡(SEM)技術通過分析細聚焦電子束與物體表面物質相互作2.2.4透射電子顯微鏡(TEM)在透射電子顯微鏡上，還能夠對材料進行選區(qū)電子衍射(SAED)分析。與X面完全相似。圖2.3所示是TEM中的各種電子信號(左圖)和電鏡對樣品微區(qū)1圖2.3TEM中的各種電子信號(左圖)和電鏡對樣品微區(qū)的分析(右圖)備和表征nUnilab)用鋰箔作為計數(shù)器和參考電極。所得到的石墨烯/硅納米復合薄膜作為工作電極沒有任何導電添加劑和粘合劑。用以個商用的聚丙烯多孔膜作為隔板。法測試S相應的容量稱為充電(脫鋰)容量；放電過程對應電位下降過程，鋰離子嵌入活性材料，相應的容量稱為放電(嵌鋰)容量。循環(huán)伏安法(CV)可以測量物質的電化學活性和氧化還原電位，考察電化量的是響應電流隨電極電位的變化關系。對所獲得的循環(huán)伏安曲線進行數(shù)據(jù)分放電過程中的充放電平臺。利用氧化還原電量(峰面積)的比值，可以判別電極第三章石墨烯/硅納米復合膜的制備及其電化學性能膜的制備氧化石墨烯(GO)以天然石墨粉作為原料采用改進的Hummers方法合成。所制備的石墨烯通過聲波降解法和蒸餾水形成一個濃度為2.0mgmL-1的懸浮液。于此，濃度為1.0mgmL-1的硅納米顆粒(直徑約為100nm)的水溶液也同樣處理2h。之后兩種懸浮液(mGO:mSi)均勻混合超聲。得到的混合懸浮液進的討論 X線光電子能譜(XPS)進行了分析使用的是在一個軸的DLD奎托斯AlKa樣品束儀器。熱重分析(TGA)在空氣中的(e)橫截面的SEM圖像。(f)氮的等溫曲線。靈活的，它彎曲的前后沒有明顯的破碎。在低放大倍數(shù)的SEM圖像(圖3.2b)高倍SEM圖像(圖3.2d)可以看出，石墨包覆硅納米顆粒的現(xiàn)象非常明顯。圖圖3.3RGO/硅納米復合材料TEM圖像(a，b)和高倍率的TEM圖像(c，d)在高放大倍率的TEM圖像(圖3.3b)可以繼續(xù)觀察到硅納米顆粒以極小的重疊明了石墨烯/硅納米復合材料在持久超聲之后仍然保持了其結構的完整性。從圖SiOx環(huán)過譜的測試的圖像圖3.4給出了純石墨烯和石墨烯/硅納米復合材料薄膜的XRD圖像和拉曼光石墨的衍射平面(002)相一致，表示石墨烯成功的被還原了。氧化石墨烯/硅納硅納米顆粒有效的嵌入到了氧化石墨烯薄膜之中。通過拉曼光譜(圖3.4b)證有限深度分析率(<10nm)。圖3.5C1s記錄了石墨烯/硅納米復合膜和石墨烯的SiOx薄膜層表征及分析討論箔作為計數(shù)器和參考電極。所得到的石墨烯/硅納米復合薄膜作為工作電極沒有LiPF6溶解在以1：1體積的一席碳酸脂(EC)和碳酸二乙脂(DEC)的混合溶用電化學工作站測量的循環(huán)伏安(CV)曲線中測量分析的。為了得到陽極的循c流密度下的電容量；d.RGO/硅納米薄膜的倍率性能曲線。.7b為氧化石墨烯薄膜、硅納米顆粒和石墨烯/硅納米復合材料電極在石墨烯/硅納米薄膜電極表現(xiàn)出的電荷能力。可以從圖中看出，電極表現(xiàn)出的電石墨烯/硅納米復合薄膜電極的超強穩(wěn)定性和超高的可逆容量，是因為其獨子提供了一個高