自支撐石墨烯基復合膜的制備及其電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池作為一種新型的儲能設備，已經在便攜式電子產品上面得到廣泛的應用。隨著電動汽車和柔性電子等領域的發展，對鋰離子電池提出了更高的要求，包括更高的功率密度、更高的輸出電壓、更高的工作溫度和更好的安全性能、以及具備良好的力學性能和柔韌性。對于高性能鋰離子電池而言，電極活性材料的改進和革新是提高其綜合性能的核心和關鍵。在鋰離子電池負極材料方面，商業化的石墨負極理論比容量低（372 mAh g-1），不能滿足新一代高性能鋰離子電池的要求，

2、研發其可代替材料是一種較好的選擇。過渡金屬氧化物負極和硅負極材料就有更高的比容量，是很有發展前景的負極材料，然而因其在循環過程中的體積膨脹效應導致容量衰減過快的問題是限制其應用的主要瓶頸。石墨烯作為一種新型的二維材料，具有極強的導電性和極好的力學強度，可以作為過渡金屬氧化物負極和硅負極的載體，抑制其充放電過程中體積效應，達到改善其性能的目的。因而，本論文通過制備石墨烯和過渡金屬氧化物三維復合材料，以及石墨烯和硅納米顆粒三維復合材料，考察

3、其微觀結構和性能的關系，進一步優化材料的結構，得到了一些有意義的結果。
　　1.首先用改進的Hummers法制備了氧化石墨烯，將其水溶液抽濾成膜并還原后得到了自支撐的石墨烯膜，然后再通過簡單的溶劑熱-熱分解法在石墨烯膜的表面生長出多孔的 Co3O4納米片陣列，得到自支撐的 Co3O4納米片/石墨烯復合膜材料。SEM結果表明 Co3O4納米片之間相互貫穿，形成一個三維有序多孔的納米片陣列，且Co3O4納米片是由納米顆粒構成的。將這種

4、復合膜用作鋰離子電池負極材料，在200 mA g-1的電流密度下，經過200次循環后，可逆容量高達453mAhg-1，倍率性能測試中，電流密度從100 mA g-1逐漸增大到2000 mA g-1，在這些不同的電流密度下分別循環10次后再返回到100 mA g-1的電流密度時，其可逆容量可恢復到650 mAh g-1，表現出較純的石墨烯膜和純的Co3O4粉末更為優異的電化學性能。
　　2.首先通過水熱法合成了MnO2納米線，然后將

5、其加入到氧化石墨烯水溶液中，超聲分散攪拌均勻，然后再將該均勻的混合溶液抽濾成膜，還原后得到了自支撐MnO2納米線/石墨烯復合膜。SEM的測試結果表明，還原以后的 MnO2納米線/石墨烯復合膜具有多孔結構，MnO2納米線均勻地夾雜在石墨烯的片層之間。電化學性能測試結果表明，在200 mA g-1的電流密度下，200次循環后的可逆容量高達480 mAh g-1。倍率性能測試中，電流密度分別為100、200、500、1000、2000 mA

6、g-1時，其可逆比容量分別是900、600、400、300、200 mAh g-1。它表現出比純MnO2納米線更加優異的性能，改善了純MnO2的循環穩定性能和倍率性能。
　　3.將表面功能化處理的Si納米顆粒和氧化石墨烯水溶液進行超聲分散，攪拌均勻，利用 Si納米顆粒表面的氨基和氧化石墨烯表面的含氧基團之間的縮合反應，使得 Si納米顆粒均勻的附著在氧化石墨烯片上面，經過抽濾成膜和還原以后得到自支撐的Si納米顆粒/石墨烯復合膜。SE

7、M測試結果表明這種復合膜是一種層狀結構的多孔膜，Si納米顆粒均勻的負載在石墨烯片上面并夾在片層之間的多孔結構當中。將其用作鋰離子電池負極材料，在400 mAg-1的電流密度下，首次放電比容量為2500 mAh g-1，充電比容量為1350 mAh g-1，對應的庫倫效率為54％，且7次循環以后庫倫效率就一直保持在98％以上，經歷1300次循環以后復合膜的可逆比容量仍具有660 mAh g-1。倍率性能結果表明，當電流密度分別為100、2