锂离子电池硅/碳复合网状整体电极的制备与性能

基于静电喷雾沉积技术制备了硅-纳米炭纤维-石墨烯杂化膜(Si/CNF/G),其中纳米硅颗粒包覆在多孔炭基体中,由纳米硅和多孔炭组成的二次结构被镶嵌在由纳米炭纤维和石墨烯组成的三维交联炭网络中,最终构成无粘结剂的硅/碳复合整体电极。Si/CNF/G三维杂化膜用作锂离子电池电极时,表现高的可逆比容量、长的循环寿命和良好的倍率性能。0.2 A·g~(-1)恒定电流密度下,首次可逆比容量为957mAh·g~(-1),经100圈循环容量保持率为74.4%;2 A·g~(-1)恒定电流密度下,可逆比容量为539mAh·g~(-1)。多孔炭基体可有效缓冲硅的体积变化,促进形成稳定的固态电解质界面;纳米炭纤维和石墨烯构建的三维炭网络既稳定了电极的整体结构,又可为电子和离子提供快速传输通道。     

3-氨基三乙氧基硅烷偶联剂修饰Si基高性能锂离子电池负极材料

为了提高硅碳复合材料中硅的使用效率,使用3-氨基三乙氧基硅烷偶联剂(3-APTS)对硅纳米颗粒进行表面修饰,制备了3-APTS-Si@C/G复合材料。采用SEM、TEM、FT-IR、TGA、Raman等对材料微观形貌、结构及组分进行表征。结果表明,3-APTS对硅纳米颗粒有良好的分散作用,没有发现明显的硅颗粒团聚现象。3-APTS-Si@C/G复合材料呈现yolk-shell结构,其作为锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。在100 m A·g~(-1)的电流密度下,首次可逆容量为1 699 m Ah·g~(-1),50次循环后可逆容量为913 m Ah·g~(-1),35次循环后容量保持率为99.6%,明显高于Si@C/G复合材料(首次可逆比容量为652.9 m Ah·g~(-1),50次循环之后可逆比容量为541 m Ah·g~(-1))。当电流密度达到1 500 m A·g~(-1)时,其可逆容量可达到480 m Ah·g~(-1)。     

石墨烯水分散液:增强水性环氧涂料的耐蚀性

高性能石墨烯增强环氧(G/EP)复合涂层制备的主要挑战是G纳米片在水性EP基体中的均匀分散,通过石墨烯量子点(GQDs)非共价键功能化成功地制备出了具有良好分散能力的G纳米片。该石墨烯(G)纳米片可用作水性EP涂层的屏蔽增强剂,并能显著改善水性EP涂层的防腐性能。在3.5%NaCl水溶液中浸泡96 h后,纯EP涂层的阻抗从10~6Ω·cm~2急剧下降10~5Ω·cm~2,而G/EP涂层的阻抗模量仅从10~7Ω·cm~2下降到10~6Ω·cm~2,其阻抗约提高到了近两个数量级。另外,极化曲线测试表明,G/EP涂层的防腐效率从纯EP涂层的92.3%提升至99.1%。     

液相制备石墨烯/硫复合材料及其在锂硫电池正极中的应用

采用氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)作为制备石墨烯的前驱体,通过液相还原自组装过程与硫纳米颗粒进行复合,获得了高性能的还原氧化石墨烯/硫(r GO/S)复合正极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析(XPS)等对材料微观形貌与结构进行表征。结果表明:硫纳米颗粒均匀分布在石墨烯片层间,并且硫纳米颗粒被石墨烯片层有效地封装,硫在35-r GO/S复合物中的质量分数高达83.6%。该35-r GO/S复合正极在0.2C电流密度下初始放电容量可达1197.3mAh·g^-1,经过200次循环后容量仍保持在730mAh·g^-1左右,表现出优异的循环性能。     

Co~(2+)掺杂石墨烯/LiFePO_4锂离子电池复合正极材料的制备与表征

使用溶胶凝胶原位碳热还原制备了Co2+掺杂石墨烯/LiFePO4锂离子电池复合正极材料(石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4),以期获得比容量高、充放电速率快和循环性能优良的锂离子电池正极材料。结构和形貌表征结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有三维导电网络结构,颗粒在石墨烯片层间生长均匀,粒径在200nm左右。电化学测试结果显示:石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料具有高的可逆比容量和优异的循环倍率性能。2.0~4.0V充放电下0.1C时的首次放电比容量为159mA·h·g-1,在10.0C下首次放电比容量也有74mA·h·g-1;0.5C下循环100次,比容量保持率为99.7%。石墨烯/LiCo0.03Fe0.97PO4复合材料电化学性能提高的原因主要为Co2+掺杂和石墨烯包覆的协同作用。     

自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性电极的制备及其电化学性能的研究

硅作为锂离子电池负极材料具有极高的理论比容量(4200mAh/g),是目前商业化石墨负极材料的数十倍。但是由于在充放电过程中极易发生粉化破碎,导致其循环比容量会迅速衰减。首次通过水热还原的方法制备了自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性负极材料。SEM表征显示纳米硅颗粒均匀地分散在石墨烯片层中,制得的复合纸电极较纯硅纳米颗粒的电化学性能有大幅度提高,在100mA/g的电流密度下,首周放电比容量4003mAh/g,十分接近硅的理论比容量,且首周库伦效率高达91%。复合纸循环20周后比容量在3300mAh/g左右,50周后仍能维持1000mAh/g左右的比容量。这主要可归功于石墨烯纸电极优异的柔韧性和导电性,有效抑制了纳米硅颗粒的体积膨胀和结构破坏。同时水热还原法较低的还原温度保证了石墨烯纸还原前后厚度变化不大,有利于石墨烯片层与Si纳米颗粒的紧密接触。     

NaF-Si-C-RGO杂化材料的制备及电化学性能

采用NaF溶液为添加剂,热固性酚醛树脂和还原氧化石墨烯(RGO)为碳源,制备了NaF-Si-C-RGO杂化材料。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热重分析仪、X射线衍射仪和拉曼分析仪等对其进行表征,并用作锂离子电池负极材料进行了相关电化学性能测试。NaF-Si-C-RGO杂化材料的循环稳定性和容量保持率均高于NaF-Si-RGO和Si-C-RGO杂化材料。因为硅纳米颗粒表面的无定形炭包覆层可以抑制SEI膜的不断形成;NaF中的Na+可以插入到氧化石墨烯片层中,不仅可以缓解氧化石墨烯片层的堆垛现象,还利于Si纳米颗粒在石墨烯片层中的分散,使更多的活性物发挥作用;F-的存在,一定程度抑制了电解液的分解,减少了HF的生成,这有利于维持电极结构的完整,从而保证了电极良好的循环稳定性。     

稻壳基介孔炭的制备及其在超级电容器中的应用(英文)

以量大价廉的稻壳为原料,先后经Na OH脱硅处理、预氧化、磷酸活化,在无模板的情况下制备出介孔炭材料。Na OH脱硅处理可有效除去稻壳中的硅并破坏纤维素的晶体结构,脱硅过程中形成的孔隙亦有利于高比表面积和高中孔率介孔炭的制备。所制介孔炭比表面积和中孔率分别高达2 009 m2·g-1和90.8%。其在50 m A·g-1电流密度下的比电容达176 F·g-1,即使在1 000 m A·g-1的大电流下,其比电容仍保持在126 F·g-1,表现出优异的倍率能力。所制介孔炭具有良好的循环稳定性,在200·m A g-1电流密度下的比电容高达150 F·g-1,1 000次循环无容量衰减。稻壳基介孔炭在超级电容器领域具有良好的应用前景。     

TiO_2/石墨烯复合锂离子电池负极材料的研究

采用简单、绿色环保的方法制得TiO_2/石墨烯(TiO_2/G)复合材料,并采用SEM、TEM和XRD对TiO_2/石墨烯复合材料进行了表征。研究结果表明,TiO_2纳米颗粒均匀地分散在石墨烯片层中,改善了TiO_2纳米颗粒的导电性和结构稳定性;TiO_2/石墨烯复合材料的首次放电比容量为302mAh/g,循环50周后的放电比容量仍能保持89.93%,具有优异的电化学性能。     

超级电容器用CeO_2-MnO/3D石墨烯复合材料的制备

以西瓜瓜瓤为碳源,采用两步碳化法制备三维石墨烯(3D-Fiberbased Graphene,3D G)材料,并使用水热法制备了CeO_2-MnO/3DG复合材料,以期获得比电容高,循环寿命好的石墨烯超级电容器电极材料。结果表明:3DG材料具有较高比表面积,最高可达到332m~2·g~(-1)。CeO_2-MnO/3DG复合材料具有三维导电网络结构,金属氧化物颗粒在石墨烯片层间生长均匀,粒径在10nm左右。电化学测试结果显示:在0.5 mol·L~(-1)的Na_2SO_4溶液中,电流密度1A·g~(-1),当摩尔比MnO∶CeO_2=4∶1,复合负载量在80%时得到的CeO_2-MnO/3D G复合材料拥有最高比电容,达308.5F·g~(-1),经过1 000次循环充放电测试比电容保持率为95.5%。CeO_2-MnO/3DG复合材料电化学性能的提高主要是因为两种金属氧化物复合负载与石墨烯的协同作用。     

球状纳米二氧化钛/石墨烯复合材料的合成及导电性能

采用改进的水热法制备二氧化钛/石墨烯(TiO2/G)复合导电材料,并研究水热温度以及石墨烯用量对TiO2/G复合材料导电性的影响。利用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学阻抗谱等测试手段对复合材料的结构,微观形貌以及导电性能进行表征,并确定最佳的水热温度以及石墨烯的最佳添加量。结果表明:石墨烯添加量为5%(质量分数),水热温度为160℃,TiO2/G复合材料的导电性最佳,其电阻率为13.46Ω·cm。复合材料中TiO2纳米颗粒为球状的锐钛矿相,直径为100~200nm左右,且均匀生长在石墨烯片层表面。其中,TiO2纳米颗粒生长于石墨烯片层上,有效地阻止石墨烯片层的聚集,有利于石墨烯片层间形成导电网络,提高电子迁移效率,赋予二氧化钛复合材料优异的导电性能。     

纳米硅/石墨负极材料的炭包覆改性研究

硅颗粒的低负载量及其与石墨基体的弱相互作用严重制约了硅/石墨负极材料的商业化应用。本研究通过浓硫酸和高锰酸钾的氧化处理增大石墨基体的比表面积,利用十二烷基苯磺酸钠作为表面活性剂,改善纳米硅与氧化石墨湿法混合的均匀性,采用柠檬酸催化蔗糖碳源的水解,以便热解后在复合材料表面形成完整的炭包覆层。XRD与SEM分析表明,改进的炭包覆工艺可促进氧化石墨的还原,获得高石墨化度的碳硅复合材料,并实现硅颗粒在石墨基体中的均匀分散。上述协同效应使炭包覆的纳米硅/石墨负极材料在100 mA·g^-1的电流密度下循环100圈后比容量仍能稳定在400 mAh·g^-1左右,在提升比容量的基础上,有效抑制了硅在循环过程中的体积膨胀。     

锂离子电池硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料研究

通过真空驱动自组装法及蒸汽处理得到结构疏松的硅/碳纳米管/石墨烯自支撑负极材料(Si/CNTs/GP)。纳米硅颗粒(50 nm)为活性物质, 均匀分布在石墨烯片层结构中间; 石墨烯作为碳基体, 通过自组装构筑形成二维导电网络; 碳纳米管(CNTs)具有超高导电性和良好的力学强度, 它通过吸附作用均匀分布在石墨烯基体上形成导电的支撑网络结构。经过蒸汽处理后, 石墨烯层间距明显增大, 层与层之间不再是紧密堆叠的结构, 而是形成一种疏松、褶皱、内部空隙丰富的片层结构。Si/CNTs/GP负极材料中丰富的内部空穴和贯穿孔洞, 提供了材料很高的比表面积, 能有效提高电解液对材料的浸润性, 极大缩短了离子传输距离。同时这些内部空穴也有效缓冲硅充放电时的体积膨胀, 提高了材料的结构稳定性和电化学性能。该负极材料在4 A/g的大电流密度下容量维持在600 mAh/g, 表现出良好的大电流循环稳定性能。     

嵌段共聚物直接热解法制备介孔炭材料及其在超级电容器中的应用（英文）

以嵌段共聚物为前驱体,通过直接热解聚丙烯腈嵌段苯乙烯(PAN-b-PS-b-PAN)制备新型纳米多孔炭材料。炭材料制备依赖于嵌段共聚物分子的设计,而分子量可控、分布范围较窄的嵌段共聚物则通过可逆加成链转移(RAFT)聚合方法合成。所制炭材料不仅具有较高的比表面积(950 m2·g-1),且在2~4 nm的介孔范围内孔径得到良好的控制。此外,作为电极材料在2 mol/L KOH电解液中表现出高的比容量(185 F·g-1,电流密度为0.625 A·g-1),且显示较好的循环寿命,经10 000次循环后,能够保持初始比容量的97.5%。通过不同分子量聚合物的设计,制备结构新颖的多孔炭材料,可应用于高性能超级电容器。     

还原氧化石墨烯(RGO)/硅复合材料的制备及用作锂离子电池负极的电化学性能

利用天然鳞片石墨通过改进的Hummers法制备氧化石墨烯(GO),在碱性条件下通过超声波剥离、静电自组装、磁力搅拌和高温还原的方法合成了还原氧化石墨烯/硅(RGO/Si)复合材料。借助XRD、SEM、TEM、EDX能谱分析和比表面积分析等发现,Si颗粒均匀分布在RGO片层内。在室温下,以该复合材料作为锂离子电池负极,在不同电流密度下研究了其电化学性能。结果表明,RGO/Si复合材料(2∶1)首次循环的放电比容量为1 231 mAh/g,首次库仑效率高达90.9%,在20次循环后,可逆容量保持在452 mAh/g,库仑效率为99.2%。RGO/Si复合材料(1∶1)的RGO片层包覆Si颗粒最紧密,其复合结构最稳定,在高电流密度下容量保持率较高。     

优化碳质涂层以消除高性能硅阳极的电化学界面极化

有序碳和无序碳都普遍被用作硅(Si)的复合材料。但是具有不同结晶度和孔结构的碳对硅基负极电化学性能的影响仍存在争议。本工作在严格控制碳含量和表面官能团的基础上,选择沥青(Pitch)和酚醛树脂(PR)作为有序碳和无序碳的前驱体,制备了硅碳复合材料(Si@C)并系统地研究了其电化学行为。有序的晶体结构有利于复合物中的电子传输,中孔和大孔有利于锂离子的扩散。具有有序结构和小孔容的碳质涂层为Si的膨胀提供了很好的缓冲,电极在50次循环后仍保持结构完整性。然而,无序和多孔的结构降低了结构的稳定性并产生了很大的极化,这使得循环过程中体积不断膨胀,导致电化学性能较差。Si@C-Pitch在5 A g^?1下的容量是Si@C-PR的8倍,在0.5 A g^?1下100次循环后的容量保持率是Si@C-PR的1.9倍。该研究可为Si@C负极中炭材料的选择提供了理论指导。     

Mn_2O_3/Fe_2O_3/少层石墨烯/硫锂硫电池正极材料的制备及其电化学性能

采用熔盐法、层间催化剥离法、退火工艺及熔化扩散法制备出Mn_2O_3/Fe_2O_3/少层石墨烯/硫复合材料作为锂硫电池正极材料。高导电少层石墨烯构成三维导电网络,为电极反应过程中电子传输提供通道,有利于提升锂硫电池的比容量。金属氧化物颗粒均匀分布在少层石墨烯表面,对多硫化物具有强烈化学吸附作用,能够有效抑制多硫化物的溶解和迁移效应,有利于增强锂硫电池循环稳定性。结果表明,Mn_2O_3/Fe_2O_3/FLG30/S电极显示出高比容量和优异的循环性能。0.1 C倍率下,其初始容量高达886.3 mAh·g~(-1),100圈循环后容量保持率高达88.1%。     

反应等离子喷涂TiC/ Fe-Ni复合涂层及其耐冲蚀性能

以TiFe粉、Ni粉和蔗糖(碳的前驱体)为原料,通过蔗糖的热分解碳化制备Ti-Fe-Ni-C系反应热喷涂复合粉末,并利用等离子喷涂制备了TiC/Fe-Ni复合涂层。复合涂层主要由TiC颗粒均匀分布于(Fe、Ni)固溶体中形成的复合强化片层构成,片层中TiC颗粒呈球形或近球形,粒度为亚微米级和纳米级。TiC/Fe-Ni复合涂层的耐冲蚀磨损性能研究表明：涂层冲蚀失重率随攻角的增大而增加,表现出脆性材料冲蚀特性,但冲蚀失重率对攻角不敏感,涂层具有较好的塑性与硬度的配合;复合涂层的耐冲蚀磨损性能优于相同工艺条件下制备的C_r2C₃/Ni-Cr复合涂层,约为20G钢的2倍以上。     

石墨烯/聚苯胺/四氧化三锰纳米复合材料的制备

成功制备了石墨烯/聚苯胺/四氧化三锰(RGO/PANI/Mn_3O_4)纳米复合材料。首先,以过硫酸铵(APS)为氧化剂,在氧化石墨烯(GO)片层上氧化聚合苯胺单体,制备氧化石墨烯/聚苯胺(GO/PANI),再通过水热法将GO还原并热解Mn(Ac)_2·4H_2O从而制得RGO/PANI/Mn_3O_4复合材料。形貌和结构表征结果表明Mn_3O_4纳米颗粒均匀生长在以PANI为导电连接层的RGO片层上。     

石墨烯负载金属钌用于锂-空气电池的正极材料

通过溶液法制备钌/石墨烯(Ru/G)复合材料,用作锂-空气电池的正极材料。通过充放电测试、循环伏安(CV)和电化学阻抗(EIS)研究了锂-空气电池的电化学性能。结果表明:Ru/G复合材料作为锂-空气电池的正极材料,明显提高了氧化还原反应的催化活性,改善了电化学反应性能。在电流密度为500mA·g-1时,首次充放电比容量分别为13136mAh·g-1和13578mAh·g-1,充放电的过电位降低了约0.35V。当固定充放电比容量为1000mAh·g-1,采用恒流充放电模式,可稳定循环30次。