锂离子电池石墨烯复合材料的研究

【摘要】随着社会的发展,人类对于能源需求量增多,石油、煤炭、天然气等不可再生能源逐渐减少,环境问题日益严重,使能源和环境成为备受关注的两大社会问题。随着经济的发展和人类生活水平的提高,人们越来越重视对水能、风能、太阳能等可再生能源的开发和利用。这些新型能源与传统的能源相比,具有许多优点。但是,他们的使用经常受到气候和天气的影响,他们的峰值输出经常和能量的需求不匹配,在年、月、日的运行循环中,能量的供应经常出现大的波动。发展低碳经济和清洁可再生能源成为各国非常重视的课题,这也对储能装置的各项指标提出了新的要求。锂离子电池以其能量密度高、输出电压高、自放电小、无记忆效应等优点,自1991年诞生以来,得到了非常迅速的发展。拓宽锂离子电池在移动电子设备和电动车等方面的应用,需要进一步提高锂离子电池的循环性能、大倍率性能和安全性能。石墨烯作为二维碳原子晶体,在力、热、电、光等方面都具有优异的性能,成为了近年来化学,材料科学及物理学领域的研究热点。其具有高强度,高模量,高导电性,良好的耐化学耐热性,高比表面积等特点,是理想的储能材料。采用石墨烯复合材料作为锂离子电池电极材料,主要是利用其优良的导电性能,提高电极材料的倍率性能和导电率。同时,石墨烯独特的二维结构,可以对纳米材料进行负载,包覆,编织,从而形成疏松的3D网状结构,这种结构既可以缓冲材料在充放电过程中的体积膨胀,又可以防止材料在充放电过程中的聚集,从而提高循环性能。除此之外,疏松的网状结构还可以吸收电解液,在不同纳米颗粒之间形成离子通道,进一步提高它的导电率。本文合成了一系列锂离子电池石墨烯复合电极材料,探索了多种形貌纳米材料的合成条件及规律,进一步扩充了纳米材料库；测试了它们在大电流密度下的充放电性能,交流阻抗及循环性能,讨论了石墨烯对于复合物性能提升的作用,主要内容包括：1.为了缩短反应时间,降低能源损耗和成本,采用快速微波水热法一步合成LiFePO4/C/graphene材料。该合成线路将水热反应时间缩短至15分钟。反应所得的产品为无定形碳包覆的LiFeP04纳米立方体,其粒径约为200nm,在纳米立方体外又进一步包覆了一层微米尺寸的褶皱状石墨烯。这种结构中,石墨烯层作为桥联结构,形成了一个有效的导电网络,并提供了开放式的孔洞吸收电解液,进而减少锂离子的扩散途径。循环伏安测试,充放电曲线和阻抗测试均表明该材料具有更好的动力学性能。该锂离子电池正极材料在0.1C的电流密度下表现出165mAhg一1的容量,而在10C的大电流充放电时,容量仍可维持在88mAhg-1。2.为了克服VO2在循环过程中的团聚及因此导致的阻抗升高,采用了原位水热法由V205和氧化石墨烯一步合成了VO2/graphene复合材料。电极材料中分散的碳材料可以为电荷传递提供路径,进而提升电子导电率。柔软的石墨烯层状结构将VO2纳米带编织在一起,能够防止VO2在循环过程中的团聚,同时石墨烯还能与VO2形成随机的充满电解液的孔洞,进一步加速锂离子的扩散。该复合材料容量高达380mAhg-1,五十个循环之后,保持了99%的容量。交流阻抗测试表明该材料的电荷传递电阻仅为VO2的67%。3.采用新颖快速的原位水热法一步合成了中空结构的Li3VO4/graphene,该材料为直径2gmn的中空纳米立方体,均匀锚定在多孔的石墨烯片层上。中空结构可以缓解锂离子嵌入脱嵌的压力,提升材料的比表面积,减少锉离子扩散的有效路径,并为锂离子储存提供额外的空间,从而提高材料的容量、循环性能及倍率性能。进一步包覆多孔石墨烯不仅可以增加Li3V04和和电解液的接触,还可以提高物质和电荷传输速度。作为锂离子电池负极材料,Li3VO4/graphene在三十次循环之后,容量仍保持在368.7mAhg-1。它在大电流充放电下的表现更加出色,2C的电流密度下,容量比Li3VO4的高144mAhg-1。此外,交流阻抗测试同样表明,它的锂离子迁移率和电荷传递阻抗均远优于Li3VO4。
【作者】施轶；
【导师】吴宇平；
【作者基本信息】复旦大学，物理化学，2013，博士
【关键词】石墨烯；锂离子电池；磷酸铁锂；二氧化钒；锂钒氧；

【参考文献】
[1]姚松.极少主义思想对室内景观意境营造的影响[D].苏州大学,园林植物与观赏园艺,2012,硕士.
[2]王秀彦.高中历史互动式教学方式的研究[D].东北师范大学,教育,2003,硕士.
[3]闫晶晶.家蚕杆状病毒表面展示SARS-CoV N、RBD蛋白及其免疫原性研究[D].浙江理工大学,生物化学与分子生物学,2014,硕士.
[4]朱建勇,桂卫华,阳春华,吴佳,周文振.基于泡沫尺寸随机分布的铜粗选药剂量控制[J].自动化学报,2014,10:2089-2097.
[5]李康铭.构建学前教育公共服务体系研究[D].宁波大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[6]葛朝阳.企业科技进步综合实力测度指标体系[D].武汉理工大学,企业管理,2003,硕士.
[7]吕福清,苏卫民,秦鑫,黄永平,罗明.霍尔果斯复杂山地逆掩构造带勘探[J].石油地球物理勘探,2005,01:13-17+15-126.
[8]郑红波,罗志军.GIS技术发展趋势探讨[J].南方国土资源,2003,08:67-70.
[9]黄芳.供应链管理中的库存控制研究[D].武汉理工大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[10]刘攀博,黄英.聚苯胺-石墨烯-Co_3O_4纳米复合材料的制备及其表征[J].化学与黏合,2013,04:17-20.
[11]邓德杨.基于以太网交换机的IEEE1588V2时钟同步协议研究与实现[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2014,硕士.
[12]曲利岩.电磁场有限元分析技术的研究和实现[D].浙江大学,2002.
[13]蓝萍.初中英语教科书中西文化构成研究[D].东北师范大学,教育学原理,2012,硕士.
[14]庞冲.基于磁流体光透射性的电流检测技术研究[D].东北大学,检测技术与自动化装置,2011,硕士.
[15]陈柠.中国登革Ⅲ型和Ⅳ型病毒分离株及登革Ⅳ型病毒减毒株特性研究[D].中国食品药品检定研究院,病原生物学,2013,硕士.
[16]黄炎芳.湿热咳嗽中医证候学特点观察[D].北京中医药大学,中医内科学,2014,硕士.
[17]肖旭华.米渣及米渣蛋白对鲢鱼糜凝胶特性和冻融稳定性的影响[D].华中农业大学,食品科学,2014,硕士.
[18]钟红艳.安徽矿业企业海外投资环境的评价研究[D].安徽大学,技术经济及管理,2013,硕士.
[19]薛南.锈蚀H型钢柱偏心受压性能的试验研究与分析[D].西安建筑科技大学,防灾减灾工程及防护工程,2013,硕士.
[20]金欢.新课程改革视域下中学生体育教材观的研究[D].山西师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[21]张立群.电动压下系统在铝板热轧机上的应用[J].冶金自动化,2001,01:42.
[22]吕桂云.论现代学校育人功能的有限性[D].南京师范大学,教育学原理,2012,硕士.
[23]金苏蓉.吉安市楠木容器苗造林年生长效应的研究[D].江西农业大学,森林经理学,2012,硕士.
[24]马珊珊.空调系统节能检测实验系统建立[D].东华大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[25]朱礼乐.三柱分型在复杂胫骨平台骨折的临床应用[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[26]郑甜甜.论《无名的裘德》中的婚姻[D].湖南师范大学,英语语言文学,2014,硕士.
[27]王浩.丙交酯的合成新工艺研究[D].天津大学,材料学,2004,硕士.
[28]罗子健,郭乃成,龚泉源.粘塑性材料胀形过程的理论分析和实验研究[J].西北工业大学学报.1987(01)
[29]郑辰.复合螺杆结构对挤出熔体压力波动的研究[D].大连理工大学,化学工程（专业学位）,2013,硕士.
[30]刘浩然.多级液力透平参数之间关系的研究[D].兰州理工大学,流体机械及工程,2014,硕士.
[31]陶李.房地产项目建安成本变动趋势及控制研究[D].西安建筑科技大学,工程经济与管理,2013,硕士.
[32]何岚.长定子中低速磁浮列车试验轨道结构动态特性研究[D].西南交通大学,机械工程,2013,硕士.
[33]吕全纲.锦屏一级大理岩时效变形破裂规律及细观演化机理[D].长江科学院,岩土工程,2014,硕士.
[34]张艳丽.论英美法中合同的履行时间[D].对外经济贸易大学,法律,2004,硕士.
[35]张颖强.山西省财政社会保障支出研究[D].山西财经大学,社会保障,2013,硕士.
[36]仇倩倩.要义旨在资帛外[D].苏州大学,传播学,2013,硕士.
[37]亓文会.电子商务——提升零售企业核心竞争力的利器[J].中国管理信息化,2005,02:38-41.
[38]张瑶.学案导学在高中地理教学中的应用研究[D].广西师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[39]王艳婷.基于GIS和遥感影像的森林蓄积量分类估测研究[D].西安科技大学,地图制图学与地理信息工程,2014,硕士.
[40]卢岑.论拒不支付劳动报酬罪的司法认定[D].安徽大学,法律,2014,硕士.
[41]张龙娟.304和316L不锈钢在印染环境中的应力腐蚀试验研究[D].浙江工业大学,2010.
[42]何娟.FRAT1、MMP-9及RhoC在喉鳞状细胞癌中的表达及临床意义[D].山西医科大学,耳鼻咽喉头颈外科,2013,硕士.
[43]洪瑶.我国古代档案法规研究[D].安徽大学,档案学,2013,硕士.
[44]刘大为.长春市老年人休闲体育行为研究[D].吉林大学,体育,2013,硕士.
[45]郭继丽.不确定机器人的耗散性鲁棒控制[D].燕山大学,控制理论与控制工程,2003,硕士.
[46]蒋骁.股票评级比较研究及模型设计[D].苏州大学,世界经济,2003,硕士.
[47]展茂魁.马尾松蛀干害虫种群动态与松材线虫病的关系及松褐天牛天敌研究[D].中国林业科学研究院,森林保护学,2014,博士.
[48]浦春雪.托烷司琼联合甲泼尼龙预防妇科腹腔镜术后恶心呕吐的临床观察[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[49]王艳芳.hMOF蛋白在直肠癌中的表达及意义[D].吉林大学,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[50]蒋美红.大学生思想政治教育中的激励方法研究[D].北京化工大学,思想政治教育,2013,硕士.