碳层厚度的纳米尺度精准调控及其对硅@碳复合材料储锂性能的影响研究

硅因其较高的理论比容量、适宜的脱嵌锂电位有望成为下一代锂离子电池负极的首选材料。然而硅的导电性较差且在脱嵌锂过程中体积膨胀高达300%,导致其在循环比容量持续衰退。为解决这一问题,本文以商用硅纳米粉体为原料,以间苯二酚和甲醛为碳源,采用聚合反应并辅助以高温炭化工艺制备得到硅@酚醛树脂衍生碳(Si@CRF)复合材料。论文通过精准调准调控硅纳米粉体与间苯二酚和甲醛的比例,在硅表面实现了酚醛树脂衍生碳厚度在纳米尺度上的精准调控,制备得到了碳层厚度分别为2nm、4nm、7nm、11nm和14nm的Si@CRF复合材料,并系统研究了其电化学性能。研究结果发现,碳层厚度对硅的储锂性能有显著影响,其中碳层厚度为7nm时,Si@CRF复合材料性能最佳,可在0.2A/g的电流密度下展现出2532.4mAh/g的高嵌锂容量,首次库伦效率可达74.35%,且在1A/g的高电流密度下循环200次后其放电比容量依然高达1005mAh/g,展现出了较高的比容量、较高首次库伦效率、良好的倍率性能和优异的循环稳定性,具有较好的应用前景。     

水热法制备蜂窝状ZnCo_2O_4/rGO

以石墨烯为基底,用水热法制备蜂窝状钴酸锌(ZnCo_2O_4)/还原氧化石墨烯(rGO)微球复合材料。用XRD、SEM分析复合材料的结构和形貌,用恒流充放电及循环伏安法测试复合材料的电化学性能。石墨烯的加入,可改变ZnCo_2O_4颗粒的形貌,并改善复合材料作为锂离子电池负极活性物质的电化学性能。以500 m A/g的电流在0.01~3.00 V循环,复合材料的首次放电比容量为1 326.7 m Ah/g,第70次循环的放电比容量为1 212.4 m Ah/g。     

石墨烯纳米片-氧化亚钴负极材料制备与表征

采用水热法结合500℃高温焙烧制备了新型高性能锂离子电池负极材料石墨烯纳米片-氧化亚钴(GNS-CoO)复合材料。采用XRD及TEM等手段对石墨烯纳米片-氧化亚钴复合材料结构和形貌进行表征,并对其电化学性能进行测试。结果表明,石墨烯纳米片-氧化亚钴复合材料的循环性能明显优于氧化亚钴,以200mA/g进行充放电得到首次放电比容量为1040.2mAh/g,50次循环后放电比容量为1027.8mAh/g,显示出良好的循环稳定性。     

聚苯胺/石墨烯复合材料微观结构的调控

聚苯胺(PANI)/石墨烯复合材料具有高循环稳定性和高比容量等优点，PANI在石墨烯表面的分散情况会影响电化学性能。采用球磨技术，通过改变苯胺单体浓度，在石墨烯表面调控沉积PANI,制备PANI/石墨烯复合材料。利用XRD、傅里叶红外光谱(FTIR)和SEM测试分析复合材料的微观结构，通过CV和恒电流充放电测试研究复合材料的电化学性能。高速球磨作用可实现PANI在石墨烯表面的均匀生长，苯胺单体浓度为0.001 0 mol/L时，PANI分子链在石墨烯表面得以舒展，可使石墨烯良好的导电性与PANI的π-π相互作用协调一致，保证PANI充分发挥氧化还原性能，得到最佳电化学性能。复合材料以1.0 A/g电流在0～0.9 V循环，放电比电容为292.1 F/g,循环1 000次的电容保持率可达87.1%。     

MoS2/石墨烯基复合材料的制备及其电化学性能

以氧化石墨烯、钼酸钠、硫代乙酰胺和葡萄糖为原料,通过水热法原位合成MoS_2/石墨烯基复合材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等一系列的表征测试手段研究了MoS_2/石墨烯基复合材料的形貌及材料结构特性。通过对组装的MoS_2//Li半电池进行循环伏安测试和充放电测试,研究了MoS_2/石墨烯基复合材料的电化学性能。半电池测试结果显示,MoS_2/石墨烯基复合材料第一次放电比容量和第一次充电比容量分别可达863和717 mAh/g,在经过200次循环以后,其比容量仍可达到432 mAh/g。     

纳米磷酸铁锂/石墨烯复合正极材料的制备

以Fe(NO_3)_3·9H_2O、LiNO_3、NH_4H_2PO_4和石墨烯为原料,用溶胶-凝胶法制备磷酸铁锂(LiFePO_4)材料和LiFePO_4/石墨烯复合材料。用XRD、拉曼光谱、SEM、透射电镜(TEM)及充放电测试,研究样品的晶体结构、形貌和电化学性能。样品具有典型的橄榄石结构,复合的石墨烯能减小LiFePO4的颗粒尺寸,石墨烯与LiFePO_4能很好地融合在一起。LiFePO_4/石墨烯复合材料的电化学性能较好:在2.0~3.8V循环,0.2C和1.0C首次放电比容量分别为164mAh/g和153mAh/g,较LiFePO_4提高了7mAh/g。1.0C第100次循环的放电比容量为152mAh/g,容量保持率为99%。     

Si/AG/C复合负极材料的制备及性能研究

以硅、人造石墨和蔗糖为原料,通过高温裂解法制备了硅/石墨/碳复合材料作为锂离子电池负极材料。用扫描电子显微镜法(SEM)和X射线衍射光谱法(XRD)分析材料的形貌和结构,复合材料制备成电极后,通过恒流充放电、循环伏安(CV)和电化学交流阻抗频谱(EIS)测试其电化学性能。结果表明:裂解碳将石墨和硅紧密包裹,高温后硅和石墨仍为晶体结构;在600~900℃,复合材料脱锂比容量随温度升高而增加,首次脱锂比容量在1 000~1 100 mAh/g,复合材料循环40次后比容量保持在418~543 mAh/g。紧箍包裹结构的硅/石墨/碳复合材料兼有石墨循环性好和硅容量高的特点。     

多孔硅/无定形碳负极材料的制备及性能研究

解决锂离子电池硅负极材料的技术成本高和体积变化大的问题是促进其产业化的关键。通过酸处理Al-Si合金和淀粉混合物后采用热分解法制备了不同硅含量的锂离子电池负极多孔硅/无定形碳(PSi/AC)复合材料。采用热重分析仪(TGA)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等对PSi/AC复合材料的结构和形貌进行表征,并通过恒流充放电、循环伏安法和电化学阻抗研究了PSi/AC复合材料的电化学性能。结果表明,PSi/AC-1[38%(质量分数)Si]复合材料循环稳定性最佳,该复合材料具有内部多孔、外部核壳的结构特点,材料内部的孔道以及外部的碳壳能够有效降低硅的体积膨胀率,在400 mA/g的恒定电流密度下,循环200次后容量保持率为95.4%。     

石墨烯制备及作为锂离子电池导电剂的研究

为了提高锂离子电池的电化学性能,采用超临界乙醇流体的方法制备石墨烯。通过X射线衍射光谱法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)、原子力显微镜(AFM)对石墨烯进行表征测试,采用恒流充放电测试、循环稳定性测试、循环伏安测试、电化学阻抗谱测试、倍率性能测试对锂离子电池正极材料进行相关电化学分析。结果表明:用超临界流体方法制备的石墨烯层数在10层以下,厚度为4.7 nm左右;1 C下,其作为锂离子电池导电剂首次充放电比容量可达到149.790和140.481 mAh/g,循环200次之后容量保持率可达85.6%。     

碳硅复合电极材料在锂离子电池中的应用研究

硅基材料由于具有高电化学容量,是一种有发展前途的锂离子电池负极材料,但是它在充放电过程中体积变化大、循环寿命差、首次库仑效率低,是阻碍其商业化的主要问题。以改善硅基材料的首次充放电效率、循环寿命及倍率性能为目的,采用简单研磨法制备Si/C复合材料,并研究硅碳的比例对材料结构与性能的影响。结果表明,石墨含量为80%时,材料获得了合理的结构和较优的电化学性能,首次放电比容量为2 288.1 m Ah/g,首次充放电效率为62.49%。     

极片厚度对Si/C负极材料性能的影响

以纳米硅粉、有机物碳源及石墨为原料制备Si/C复合负极材料,用SEM和XRD测试分析材料的形貌和结构,并研究复合材料制成不同厚度负极片的电化学性能。纳米硅颗粒均匀分散在低体积效应的石墨中,石墨和硅材料在复合材料中无形态转变,属于物理复合;极片厚度为100μm时,电极的电化学性能最好,以100 m A/g在0.005~1.500 V恒流充放电,首次库仑效率达到94.1%,循环50次的容量保持率为90.6%。     

核-壳多孔硅/碳复合阳极的制备及其电化学性能

将微米硅采用金属银诱导化学腐蚀法制成三维多孔硅。以磺化沥青为前驱体,通过喷雾干燥法对多孔硅包覆,高温碳化得到核-壳多孔硅/碳复合阳极材料。利用SEM表征复合材料微观结构,多孔硅表面均匀分布大量纳米级孔洞,热解碳壳则将多孔硅紧密包裹,从而增强锂离子的扩散性能,及容纳体积膨胀空隙的能力。电池循环210次后,活性物质与集流体未见明显分离。所制备的多孔硅/碳复合锂离子电池具有较好的电化学性能,在0.1 C电流密度下首次放电比容量为3 810 mAh/g,经30次循环后比容量仍保持在1 710 mAh/g。1 C电流密度下,100次循环后比容量稳定在824 mAh/g,库仑效率99%。恢复至0.1 C充放电后,比容量仍能保持在1 210 mAh/g。     

抗坏血酸还原氧化石墨烯制备硫-石墨烯复合物

利用环境友好的抗坏血酸常温下通过还原氧化石墨烯制备得硫-石墨烯复合材料,用于锂硫电池正极材料。用XRD、FES EM和电化学测试对复合材料进行结构、形貌和电化学性能分析。结果表明:抗坏血酸成功地还原出石墨烯。将不同抗坏血酸用量制备的复合物装配成扣式电池,当氧化石墨烯(GO)与抗坏血酸的质量比为1∶10时,性能较好,在0.2 mA/cm2电流密度下,1.5~3 V区间充放电,首次放电比容量为1 250.19 mAh/g,循环20次保持在1 216.76mAh/g,容量保持率为97.33%。     

石墨烯负载NiO纳米盘的制备与储锂性能

采用水热-自组装法制备了石墨烯负载氢氧化镍纳米盘,再将其煅烧处理,得到石墨烯负载氧化镍纳米盘(GANON)复合材料。研究表明,这种独特的2D-2D复合材料中石墨烯片层与Ni O纳米盘之间具有较大的接触面积,提高了不同基元之间的电子输运性能,并增强了其结构稳定性,从而实现较高的储锂容量和良好的循环性能。GANON电极的首周放电和充电比容量分别为1 103.7和685.7 m Ah/g,首次库仑效率为62.1%;30周的充电比容量为624.2 m Ah/g,容量保持率为91%。GANON电极的可逆转化储锂反应主要分两步进行;其复合材料较好的结构稳定性能有效抑制电极表面SEI膜的反复破损/修复过程。     

纳米空心硅负极材料的制备与性能研究

以商业化的纳米碳酸钙为模板,采用硅化学气相沉积方法制备了具有内联通结构的纳米空心硅材料,通过控制管式炉温区和化学气相沉积时间合成了具有不同壁厚的纳米空心硅样品,随硅层厚度的增加,样品的首次库仑效率有所提高但容量保持率下降。当硅层厚度为10 nm时,材料经100次循环后比容量为～980 mAh/g,容量保持率为91%;循环后的纳米空心硅材料中空结构及硅壁厚度无明显变化,且材料颗粒表面的SEI膜没明显增厚,表明该材料具有良好的结构稳定性和界面稳定性。     

磺化沥青包覆石墨用作锂离子电池负极材料

以水溶性磺化沥青为包覆材料,在其水溶液中完成了对天然鳞片石墨的表面包覆,复合材料制备条件温和,避免了有机溶剂的使用。通过XRD、SEM和TEM对复合材料的形貌结构进行表征,并研究了复合材料的电化学性能。结果表明,天然鳞片石墨边缘尖锐的棱角和不规则的缺陷被一层无定形炭覆盖,复合材料的首次充放电效率和循环稳定性显著提高。复合材料首次放电比容量为351.8mAh/g,首次效率达到91.9%,40次循环后容量没有出现明显衰减,容量保持率为99.6%。     

锂离子电池Si/C/G复合负极材料的制备及性能研究

以纳米硅粉、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、人造石墨为原料,采用喷雾干燥和高温热解制备了Si/C/石墨复合负极材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)以及恒电流充放电等测试方法,研究了热解温度对复合材料结构、形貌和电化学性能的影响。复合材料电极电化学测试显示,当热分解温度为600℃得到的复合材料,以电流密度为100 mA/g充放电时,电极材料首次放电比容量为953.5 mAh/g,首次库仑效率为85.3%,50次循环容量保持率为87.2%。聚乙烯吡咯烷酮热解形成碳包覆的结构,以及石墨基体能有效地改善硅基负极材料的电化学性能。     

三维孔道结构硅/碳负极材料的制备及其电化学性能研究

本文采用改进的Hummers法制备氧化石墨烯,再通过高温热还原的方式制备硅/石墨烯复合材料。以海藻酸钠(SA)为基体框架,采用原位冷冻干燥法制备出三维多孔硅/石墨烯复合材料。经恒流充放电测试发现建立孔道结构的硅/石墨烯首次可逆容量为1327.3mAh/g,50次循环后为995.6mAh/g,循环效率为75%,均高于同样配比的开孔硅/石墨(67.9%),硅/石墨烯(47.0%)和硅/石墨(24%)。     

氧化石墨烯改性LiFePO4正极材料的电化学性能

采用球磨法制备不同氧化石墨烯添加量的LiFePO₄/GO复合材料,研究氧化石墨烯添加量对LiFePO₄正极锂离子电池性能的影响。通过XRD、SEM、FTIR、XPS和相关的电化学方法研究了材料的物理和电化学性能。结果表明,球磨法制备LiFePO₄/GO复合材料不改变LiFePO₄的物性,与纯LiFePO₄相比,LiFePO₄/GO复合材料表现出更好的高倍率性能和循环稳定性。其中LiFePO₄与GO质量比为100∶1.25时,GO-1.25混合材料在0.5 C放电倍率下循环100次后显示出154.9 mAh/g的放电比容量,其容量保持率为98.7%。     

碳包覆硅/碳复合材料的制备与性能研究

为提高锂离子电池商容量Si/C复合负极材料的电化学性能,采用喷雾干燥法制备了核壳结构的碳包覆Si/C复合材料.碳包覆Si/C复合材料为近球形颗粒,形貌规整,粒度分布均匀,呈正态分布,其物相结构和嵌脱锂的电化学反应与Si/C复合材料保持一致.碳包覆后,减小了充放电过程中复合材料电极的极化,电压滞后现象得到了显著的改善.碳包覆Si/C复合材料的最大放电比容量为512 mAh/g,略低于包覆前的材料,但循环稳定性大大提高,50次循环后的容量保持率为96%.