發(fā)布時間：2018-01-27 05:36

  本文關(guān)鍵詞： 石墨烯 納米復合材料 鋰離子電池 負極 能量存儲　出處：《東北大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：進入21世紀以后,隨著電動汽車、便攜式電子設(shè)備的廣泛應用,更大的存儲容量、更好的循環(huán)穩(wěn)定性和更快速的充放電速率的鋰離子電池已成為迫切需要。而發(fā)展高比容量、穩(wěn)定鋰離子電池的關(guān)鍵則在于制備能夠可插入和脫插鋰離子的負極材料。目前,商用的負極材料多為石墨,其理論容量值只有372 mAhg-1,無法滿足供能需求。在目前研究的鋰離子電池負極材料中,主要分為碳材料、硅基材料、過渡金屬氧化物和硫化物四類。過渡金屬氧化物和硫化物具有高容量、低成本且無毒等優(yōu)點,但因其在脫插鋰離子過程中的體積塌縮效應,導致循環(huán)容量損失嚴重,制約其發(fā)展。石墨烯具有單原子層、六方網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),具備很高的電子傳導能力、大的比表面積、穩(wěn)定的物理化學性能、良好的機械性能。因此,本文用水熱法制備了金屬氧化物／石墨烯納米復合材料(Co304/石墨烯、NiO/石墨烯和CuO/石墨烯)、金屬硫化物／石墨烯納米復合材料(SnS2/石墨烯),并研究其儲鋰特性。在保證金屬氧化物、硫化物較高存儲容量的同時,發(fā)揮石墨烯的結(jié)構(gòu)特性,從而實現(xiàn)高存儲容量和高循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果表明：C0304/石墨烯納米復合材料具有高的儲鋰容量和循環(huán)性能,在0.1 C下,可逆容量為906.6 mAhg-1;在50次循環(huán)后,容量保持在844.6 mAh g-1。NiO/石墨烯納米復合材料,可逆容量為844.9 mAh g-1；在50次循環(huán)后,容量保持在785.1mAhg-1;在5C下,放電容量可達到497.0 mAh g-1。CuO/石墨烯納米復合材料在50個充放電循環(huán)之中,容量始終保持在670-700 mAhg-1,具備極佳的循環(huán)穩(wěn)定性。SnS2/石墨烯納米復合材料在0.2 C充放電速率下,可逆容量為766.3 mAhg-1;在30次循環(huán)后,儲鋰容量保持在570.0 mAhg-1,非常接近其理論容量。金屬氧化物、硫化物／石墨烯納米復合材料具備較大的鋰電容量和更好的循環(huán)穩(wěn)定性。這主要歸因于金屬氧化物與石墨烯之間的協(xié)同效應,石墨烯限制金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)的體積變化,并提供較好的電子傳導率；金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)有效抑制石墨烯納米片之間的團聚。由于硅具有最高的理論容量(4200mAhg-1),本文運用一種新的化學腐蝕法制備了表面光滑的單晶硅納米線和硅納米片。作為鋰離子電池的負極材料,結(jié)果表明：首次放電容量分別為4311 mAhg-1和4426 mAhg-1;經(jīng)過10次循環(huán)后,放電容量分別為各自可逆容量的66.2%和75.8%。硅納米片相比于硅納米線有更大的放電容量和更高的循環(huán)穩(wěn)定性。這是由于二維納米結(jié)構(gòu)具有有限的側(cè)面面積和增強的邊緣效應,使得Li離子更容易的通過活性材料。
[Abstract]:After 21th century, with the wide application of electric vehicles and portable electronic devices, the storage capacity is larger. Better cycle stability and faster charge and discharge rate of lithium-ion batteries have become an urgent need for the development of high specific capacity. The key to stabilize lithium-ion batteries is to prepare cathode materials that can insert and deintercalate lithium ions. At present, most of the commercial anode materials are graphite, whose theoretical capacity is only 372 mAhg-1. In the current study of lithium ion battery anode materials, mainly divided into carbon materials, silicon-based materials, transition metal oxides and sulfides. Transition metal oxides and sulfides have high capacity. The advantages of low cost and non-toxic, but due to the volume collapse effect in the process of deintercalation of lithium ions, the circulation capacity is seriously lost, which restricts its development. Graphene has a monoatomic layer, hexagonal network structure. With high electronic conductivity, large specific surface area, stable physical and chemical properties, good mechanical properties. In this paper, metal oxide / graphene nanocomposites, such as Co304 / graphene / nio / graphene and CuO / graphene, were prepared by hydrothermal method. Metal sulfides / graphene nanocomposites (SNS _ 2 / graphene) were used to study the lithium storage properties of SNS _ 2 / graphene nanocomposites. The structure characteristics of graphene were obtained by ensuring the high storage capacity of metal oxides and sulfides. The results show that the w / C0304 / graphene nanocomposites have high lithium storage capacity and cyclic properties at 0.1 C. The reversible capacity is 906.6 mAhg-1; After 50 cycles, the capacity of nio / graphene nanocomposites remained at 844.6 mAh g-1.NiO / graphene nanocomposites with reversible capacity of 844.9 mAh g-1; After 50 cycles, the capacity remained at 785.1 mAhg-1; At 5C, the discharge capacity can reach 497.0 mAh g-1.CuO / graphene nanocomposites in 50 charge-discharge cycles. The capacity is always between 670-700 mAhg-1, with excellent cyclic stability. SnS2 / graphene nanocomposites at charge-discharge rate of 0.2 C. The reversible capacity is 766.3 mAhg-1; After 30 cycles, the lithium storage capacity is kept at 570.0 mAhg-1, which is very close to its theoretical capacity. The sulphide / graphene nanocomposites have larger lithium capacity and better cycling stability, which is mainly due to the synergistic effect between metal oxides and graphene. Graphene limits the volume change of metal oxide nanostructures and provides better electron conductivity. Metal oxide nanostructures can effectively inhibit the agglomeration between graphene nanoparticles, because silicon has the highest theoretical capacity of 4200mAhg-1). In this paper, monocrystalline silicon nanowires and silicon nanowires with smooth surface were prepared by a new chemical etching method, which were used as anode materials for lithium ion batteries. The results show that the first discharge capacity is 4311 mAhg-1 and 4426 mAhg-1, respectively. After 10 cycles. The discharge capacity is 66.2% and 75.8.The discharge capacity of silicon nanowires is higher than that of silicon nanowires. This is due to the limited properties of two-dimensional nanostructures. Side area and enhanced edge effect. Make it easier for Li ions to pass through active materials.
【學位授予單位】：東北大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

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本文編號：1467716