石墨烯負載金屬氧-硫化物的合成與電化學性能研究.pdf

1、隨著經濟的快速發展，開發和利用清潔環保的可再生新能源已經成為各國政府的首要發展戰略目標。鋰離子電池作為一種能將能量進行轉化和儲存的新型裝置，由于其高能量密度、高輸出電位和無污染等特性，越來越受到人們的重視。在手機、相機、筆記本電腦等小型電器方面獲得廣泛應用，同時，在新能源存儲和電動汽車領域也展示出了良好的應用前景。
　　金屬氧/硫化物作為鋰離子電池負極材料由于其價格便宜，理論容量高（碳的兩倍左右）一直是研究的熱點。在充放電過程中，

2、金屬氧/硫化物電極材料會發生反復膨脹-收縮過程，從而造成電極材料的粉化，導致容量迅速下降，阻礙其實際應用。
　　石墨烯優良的二維結構、極大的比表面積、優異的導電性、良好的化學穩定性等優點，使其成為復合材料開發的理想載體，研究表明，石墨烯納米復合材料不但可以保留石墨烯和負載材料的優點，而且能夠產生新穎的協同效應，使得這類復合材料的性能得到極大的提高，具有廣泛的應用價值。
　　基于石墨烯與過渡金屬氧/硫化物之間的相互協同原理，本

3、論文將以氧化石墨烯為載體，制備具有新型結構的、適于能量存儲的石墨烯負載的金屬氧/硫化物(CoS2、 WO3、MoS2、 Co3O4)納米復合材料。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)、循環伏安(CV)、EDS和電化學測試等方法對材料進行物相表征和電化學性能測試。主要內容如下:
　　1.用優化的hummers法制備氧化石墨烯(GO)，采用簡單的溶劑熱法通過原位自組裝過程，制備了單分散的CoS2

4、納米籠修飾的石墨烯納米片(GNSs)層-層自組裝的復合材料。在層狀的復合材料中，柔性的氧化石墨烯作為有效載體來封裝單分散的CoS2中空納米籠，能夠緩沖其體積變化并防止其在電化學循環中的聚集。松散堆積的氧化石墨烯納米片，可以誘導CoS2的嵌入，更利于電解液的潤濕，還可以作為電子和鋰離子交換的高速通道。同時單分散中空結構可以提供額外的空間緩沖體積的變化，縮短鋰的擴散路徑，并且不容易聚集。這種獨特的結構使得CoS2/G復合材料物具有優良的電化

5、學性能，電流密度100 mA g-1下循環150圈容量依然接近800 mAh g-1，電流密度500 mA g-1下循環300圈后容量依然為697 mAh g-1，此外還具有較高的容量保持率和優異的倍率性能。
　　2.利用溶劑熱方法將僅有數層的二維類石墨烯MoS2納米片負載于柔性石墨烯片層，合成具有層狀納米結構的MoS2/石墨烯(MoS2/G)復合材料，并作為鋰離子電池負極材料進行研究。層-層逐漸生長的2D納米片層結構不僅能夠加速

6、鋰離子的傳導，而且能夠阻止樣品的聚集，減緩MoS2/G納米復合材料在充放電循環過程中容量的衰減。MoS2/G納米復合材料特殊的結構，顯出了優異的電化學儲鋰性能，較大的比容量(580mAhg-1)，較好的循環穩定性（循環250圈后容量為550mAhg-1），以及較高的倍率性能，表現出較大且穩定的可逆存儲容量和較高的倍率性能。
　　3.采用水熱法合成了WO3/rGO納米復合材料，水熱處理過程中將氧化石墨烯(GO)還原轉變成了還原型氧化

7、石墨烯(rGO)，并成功制備了WO3/rGO納米復合材料。TEM結果顯示WO3均勻的負載到了rGO納米片上。機械柔韌性的rGO的加入使材料具有良好導電性能，顯著提高了WO3/rGO納米復合材料的容量，并明顯改善其循環性能。所獲得的WO3/rGO納米復合材料首次放電比容量達到1135.7mAh g-1;200圈以后依然能夠保持較高的放電容量780 mAh g-1。
　　4.采用水熱法制備三維Co3O4-石墨烯框架(3D-CGFs)。

8、水熱過程中Co3O4粒子原位負載在石墨烯片上，并且自組裝成三維結構的復合材料。采用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、X射線衍射(XRD)和拉曼光譜(Raman)對樣品進行表征。3D-CGFs用作鋰離子電池負極材料展示出了良好的電化學儲鋰性能，如高且穩定的可逆容量（500 mA g-1電流密度下循環300次容量為530mAh g-1），良好的容量保持率（500 mA g-1電流密度下循環300圈后的容量與第4圈容量相比容量保持率為8