石墨烯的制备及其改性锂离子电池电极材料的研究

【摘要】：随着电子产品小型化、便携式的发展趋势,微电池在未来的电子设备领域有着广阔的应用前景。目前,在所有的微电池中,锂离子电池因为具有高比能量、高工作电压、长循环寿命等优点,可在电动汽车、移动通讯设备电源、储能等领域中得到广泛应用,因此,锂离子电池已成为目前的研究热点。 商品化的锂离子电池以石墨作为其负极材料,比容量较低(330mAh/g),在未来的发展中将无法满足电池高比容量的需求,而具有层状结构(单层或10层以内)且有很好电学性能的石墨烯(graphene nannosheets),在用于锂离子电池负极材料时表现出优异性能。因此,本论文论述了石墨烯的制备及表征,对其作为锂离子电池负极材料展开了相应的电化学性能研究。 利用Hummers氧化法制备氧化石墨后,通过热解膨胀剥离法进行还原得到片层结构、疏松的石墨烯。对石墨烯进行微观表征及充放电循环性能测试,得到其比表面积为559.3m2/g,首次充电比容量为2180mAh/g,首次放电比容量为1046.8 mAh/g,50次循环充放电后嵌锂容量为620mAh/g。数据表明,石墨烯作为锂离子电池负极材料表现了良好的循环性能。 在此基础上通过改变氧化过程中氧化剂的量、氧化时间及热解膨胀剥离过程中的膨胀温度、反应物质量等条件进行工艺探索,并通过元素分析、红外、热重、XRD、SEM、TEM、Raman、循环伏安、交流阻抗、充放电循环性能等测试,得出最优合成工艺为低温、中温、高温氧化时间分别为2h、1h、30min,还原温度为300℃。但是,在对电化学性能研究中发现,石墨烯作为锂离子电池负极材料虽有高的充电比容量,且50次的循环后仍可获得较高较稳定的比容量,但其首次高的不可逆容量严重的影响首次库伦效率,且作用机理也不甚明显,有待进一步改进。 综上所述,利用热解膨胀剥离氧化石墨可制备出高比表面积的石墨烯,将其作为锂离子电池负极材料显示出较好的循环性能。因此,通过对石墨烯作为电池负极材料的工作原理及制备工艺的进一步研究,有望得到一种性能优异的电极材料。