基于石墨烯改性的锂（钠）离子电池负极材料与正极材料的研究

【摘要】石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单层二维材料,具有优异的电学、力学以及热学性能,是与电化学活性物质复合的理想基体,在锂(钠)离子电池电极材料上具有良好的应用前景。本文通过水(溶剂)热法,制备石墨烯基负极、正极复合材料,详细研究了石墨烯的引入对材料微观结构的影响,复合材料微观结构与电化学性能之间的关系,并探索了石墨烯在改善正、负极材料储锂(钠)性能上的作用机理。电极材料的微观结构对其性能有很大影响,利用石墨烯(G)可以获得具有特殊微观形貌的电极材料。本文采用一步水热法制备了超薄NiS/G二维复合材料,并详细分析了其生长机理。相对于单纯NiS展现出的由纳米棒团聚而成的纳米花形结构,NiS/G复合材料展现出独特的片-片复合二维层状结构,NiS片层厚度小于5nm,石墨烯层数小于8层。研究发现,在水热反应过程中,石墨烯表面的含氧残基与NiS纳米棒表面的含硫残基形成新的共价键,将NiS纳米棒逐步剥离成纳米片,形成新型超薄二维复合材料。本文研究了NiS/G复合物作为负极材料在锂离子及钠离子电池上的应用。研究表明,在储锂方面,NiS/G复合物在50mA/g充放电流密度下,经过100次循环依然保持481mAh/g的可逆容量,高达其理论容量(约500mAh/g)的96.2%；而单纯NiS在10次循环后容量迅速衰减为140mAh/g。在储钠方面,NiS/G复合物在400mA/g的充电流密度下经过10次循环后,容量保持在150mAh/g以上,而单纯NiS则不到80mAh/g。在负极复合材料中,石墨烯不仅可以缓冲充放电过程中的体积效应,还能形成导电网络提升导电性,并且在长时间循环过程中保持材料良好的分散性,从而显著提高材料的循环稳定性及倍率性能。本文采用溶剂热法合成了LiFePO4/G复合材料。研究发现,LiFePO4颗粒均匀地镶嵌在石墨烯片层上,尺寸在100nm以下。在5C电流密度下,LiFePO/G复合材料的可逆容量高达105mAh/g,而单纯LiFePO4仅有65mAh/g的容量。在正极复合材料中,石墨烯形成的柔性三维连续导电网络不仅弥补了LiFePO4导电性较差的不足,并且改善了电极材料与电解液的浸润性,使得复合材料表现出良好的大电流倍率性能。
【作者】潘沁；
【导师】赵新兵；金明刚；
【作者基本信息】浙江大学，锂离子电池电极材料（专业学位），2014，硕士
【关键词】石墨烯；硫化镍；磷酸铁锂；锂离子电池；钠离子电池；

【参考文献】
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