关键词：
石墨烯
锂离子电池
磷酸铁锂
二氧化钒
锂钒氧
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88mAh g-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368.7mAh g-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144mAh g-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。
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