石墨烯包覆硅颗粒及其锂离子电池性能研究-1

1石墨烯包覆硅颗粒及其锂离子电池性能研究第一章绪论mAhg-1)及低工作掉率限制了其发展的需求。虽然大量的研究已经针对阳极材2Voltacell的发展历程中，人类发明了种基原电池(又称为一次电池)、铅酸二次电池及镍基二次电池。目前，这三种电该系统中，正负极材料均能够实现可逆地嵌入及脱出Li+离子，从而成功地解元。3图1.3锂离子电池工作原理图1.3所示为典型的锂离子电池的工作原理图。在锂离子电池的放电过程(3)循环寿命长。商用锂离子电池的寿命目前已经达到了1000次以上；(4)无记忆效应。锂离子电池可以随时充电，而且其性能不会因此迅速降(5)自放电率小。月放电率小为6~8%；(6)安全性能。在电池的充放电过程中，锂是以锂离子的的形式脱出和嵌(7)环境友好。锂离子电池中不含铅、汞等有害的金属元素，是一种“绿4(8)允许工作温度范围宽，低温性能好。锂离子电池典型的工作温度范围们将分别对正极材料和负极材料以及电解液的研究进展和未来的发展趋势做一22方密堆积结构，LiCoO的理论放电容量为274mAhg-1，实际应用容量约为140mA22橄榄石结构的LiFePO属正交晶系，空间群为Pmna，晶体结构如图1.4.144上述正极材料相比，LiFePO原料来源最为丰富，因而有望大幅度降低电池成本。4LiFePO同时具有环保无污染、无毒性、结构稳定、热稳定性好等诸多优点，是4下一代高功率动力型锂离子电池首选正极材料之一。LiFePO的缺点是电导率较4有可能被还原为单质铁，从而引起电池微短路，存在安全隐患。此外，LiFePO4的振实密度较低，电池成品率低且一致性较差。5图1.4.1LiFePO晶体结构示意图4xyz2构成锂离子电池的要素之一为电解液，电解液为电池正负极之间提供Li离+(1)稳定性高，在高压下不会分解变质，且具有低熔点、高沸点特性，对(2)锂盐的溶解度和介电常数高，粘度小；(3)与电极材料有良好的相容性，可促进电极电化学性能的发挥；6理论容量(约为4200mAhg-1)和低电位(约为370mVvs.Li/Li+)。然而，到。锂离子电池的充放电过程中严重的体积变化(约为380%)可能会导致活性材料多孔硅框架，硅碳纳米管(CNTs)和硅/石墨烯复合材料因为其减少体积变化而提高硅基负极材料的稳定性被报道。本论文我们提出了一个有效的方法合成了一种超薄氧化石墨烯/硅纳米颗粒作为锂离子电池自由粘结剂的阳极。结果表明，超薄的介孔石墨烯/纳米硅薄膜7第二章样品的制备及表征方法与仪器设备剂试剂名称(化学式)聚乙烯吡咯烷酮(PVP)无水乙醇(CH3CH2OH)长沙力元新材料有限公司2.1.2实验用仪器设备8仪器设备德国赛多利斯(Sartorius)Mettler-Toledo)德国梅特勒-托利多(Mettler-Toledo)2.2.1X射线衍射(XRD)X射线衍射(XRD)技术是一种最常用的测量并分析材料晶体结构的手段。晶粒结晶取向以及结晶度等的一系列晶体结构信息。基于XRD谱衍射峰的半高92.2.2拉曼光谱(Raman)时，会有约0.1%的入射光与物体的表面分子之间发生非弹性碰撞，因此，会发物体表面分子的振动和转动的能级有关，而每种物质(分子)都会对应有他们自2.2.3扫描电子显微镜(SEM)扫描电子显微镜(SEM)技术通过分析细聚焦电子束与物体表面物质相互作2.2.4透射电子显微镜(TEM)在透射电子显微镜上，还能够对材料进行选区电子衍射(SAED)分析。与X面完全相似。图2.3所示是TEM中的各种电子信号(左图)和电镜对样品微区1图2.3TEM中的各种电子信号(左图)和电镜对样品微区的分析(右图)备和表征nUnilab)用锂箔作为计数器和参考电极。所得到的石墨烯/硅纳米复合薄膜作为工作电极没有任何导电添加剂和粘合剂。用以个商用的聚丙烯多孔膜作为隔板。法测试S相应的容量称为充电(脱锂)容量；放电过程对应电位下降过程，锂离子嵌入活性材料，相应的容量称为放电(嵌锂)容量。循环伏安法(CV)可以测量物质的电化学活性和氧化还原电位，考察电化量的是响应电流随电极电位的变化关系。对所获得的循环伏安曲线进行数据分放电过程中的充放电平台。利用氧化还原电量(峰面积)的比值，可以判别电极第三章石墨烯/硅纳米复合膜的制备及其电化学性能膜的制备氧化石墨烯(GO)以天然石墨粉作为原料采用改进的Hummers方法合成。所制备的石墨烯通过声波降解法和蒸馏水形成一个浓度为2.0mgmL-1的悬浮液。于此，浓度为1.0mgmL-1的硅纳米颗粒(直径约为100nm)的水溶液也同样处理2h。之后两种悬浮液(mGO:mSi)均匀混合超声。得到的混合悬浮液进的讨论 X线光电子能谱(XPS)进行了分析使用的是在一个轴的DLD奎托斯AlKa样品束仪器。热重分析(TGA)在空气中的(e)横截面的SEM图像。(f)氮的等温曲线。灵活的，它弯曲的前后没有明显的破碎。在低放大倍数的SEM图像(图3.2b)高倍SEM图像(图3.2d)可以看出，石墨包覆硅纳米颗粒的现象非常明显。图图3.3RGO/硅纳米复合材料TEM图像(a，b)和高倍率的TEM图像(c，d)在高放大倍率的TEM图像(图3.3b)可以继续观察到硅纳米颗粒以极小的重叠明了石墨烯/硅纳米复合材料在持久超声之后仍然保持了其结构的完整性。从图SiOx环过谱的测试的图像图3.4给出了纯石墨烯和石墨烯/硅纳米复合材料薄膜的XRD图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还原了。氧化石墨烯/硅纳硅纳米颗粒有效的嵌入到了氧化石墨烯薄膜之中。通过拉曼光谱(图3.4b)证有限深度分析率(<10nm)。图3.5C1s记录了石墨烯/硅纳米复合膜和石墨烯的SiOx薄膜层表征及分析讨论箔作为计数器和参考电极。所得到的石墨烯/硅纳米复合薄膜作为工作电极没有LiPF6溶解在以1：1体积的一席碳酸脂(EC)和碳酸二乙脂(DEC)的混合溶用电化学工作站测量的循环伏安(CV)曲线中测量分析的。为了得到阳极的循c流密度下的电容量；d.RGO/硅纳米薄膜的倍率性能曲线。.7b为氧化石墨烯薄膜、硅纳米颗粒和石墨烯/硅纳米复合材料电极在石墨烯/硅纳米薄膜电极表现出的电荷能力。可以从图中看出，电极表现出的电石墨烯/硅纳米复合薄膜电极的超强稳定性和超高的可逆容量，是因为其独子提供了一个高