高性能锂离子电池电极材料的研究
锂离子电池具有高的工作电压和能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点成为可移动电源的首选。其中正极材料和负极材料对电池的性能影响很大。石墨烯是由sp2杂化的碳六元环组成的两维(2D)蜂窝状点阵的物质。它具有许多优异的性能比如室温下电阻较低,导电率较高等,因此在储能电池电极材料领域得到了广泛的应用。但是在锂离子电池应用方面,石墨烯也有不足之处,不可逆容量高,库伦效率低。研究表明通过N元素掺杂能够有效地提高石墨烯的电化学性能。
本文用一种简单易行的方法制备了氮掺杂的石墨烯片层材料,运用XRD,SEM,XPS和电化学等方法对样品进行表征。XPS结果表明,热处理之后的石墨烯含氮百分比为2％。交流阻抗测试表明,经过氮元素掺杂的石墨烯,在5次循环之后,电荷转移阻抗降低,而且氮掺杂之后带来一些结构缺陷,产生新的储锂位点,提高了其容量和倍率性能。当电流密度为42 mA·g-1时,氮掺杂石墨烯片层放电比容量达到900 mAh.g-1,而石墨烯只有600 mAh·g-1。在高电流密度下2.1 A·g-1(2.5 C),氮掺杂石墨烯片层的比容量大概在250 mAh·g-1,几乎是石墨烯容量(大约50 mAh·g-1)的5倍。石墨烯不仅可以应用在储能活性材料方面,还可以作为高导电率的物质与其他材料进行复合,提高其它材料的电子传输性能,从而提高复合材料的电子和离子传输能力。LiFePO4作为新一代锂离子电池正极材料,其理论比容量为170 mAh·g-1,电压平台为3.4V(相对于Li／Li+),具有价格低廉,对环境友好,热稳定好,安全性高,循环性能优越等优点,是现在锂离子电池正极材料中研究热点。但是由于电子电导率(～10-9 S-cm-1)比较低,造成倍率性能比较差。本文采用水热法结合热处理制备LiFePO4,研究了反应物浓度、热处理温度、热处理气氛对产物性能的影响。为了提高LiFePO4性能,将氧化石墨与LiFePO4通过水热法原位复合,然后在高温惰性氛围中热处理得到LiFePO4和石墨烯的复合物,并结合XRD、SEM、Raman光谱以及电化学测试等分析手段研究材料的晶体结构、表面形貌和电化学性能。实验结果表明合成LiFePO4最佳条件是FeSO4·7H2O浓度为0.75 mol／L,热处理温度为600℃,热处理气氛为H2／Ar混合气。通过水热法制备复合物LiFePO4／氧化石墨后,在以上热处理条件下制备复合材料LiFePO4／Graphene。结果发现,加入石墨烯之后并没有影响LiFePO4的晶体结构。在0.1C倍率下放电比容量达到160.3 mAh·g-1,10 C时比容量维持在81.5 mAh·g-1。所得结果表明加入石墨烯之后能够提高LiFeP04动力学性能和倍率性能。氮化钒(VN)作为锂电池负极材料,文献报道具有较高的理论比容量,但是由于室温电导率比较低,限制其进一步应用。加入高导电率的石墨烯,构筑混合电子和离子传输网络,是提高性能的有效途径之一。本文运用溶胶凝胶法结合高温热处理方法制备了纯相VN以及不同比例的VN与石墨烯的复合材料。实验结果表明,所有复合物的电化学性能都优于纯相VN。当VN与石墨烯质量比为7:3时,制备的复合物电化学性能最好。在电流密度为42 mA·g-1时,含有30％石墨烯的VN放电比容量达到410 mAh·g-1。,而纯相的VN只有110mAh·g-1。
锂离子电池;正极材料;石墨烯片层;水热合成
中国海洋大学
硕士
应用化学
毕彩丰
2011
中文
TM912.2;TM205.1
87
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）