錫基金屬氧化物-還原氧化石墨烯復合材料的制備及其電化學性能研究.pdf

1、目前，各種便攜式電子設備中鋰離子電池占據(jù)絕對的主導地位并且被視為下一代可充放電設備最具有商業(yè)化前景的電源。對新型電極材料的探索是滿足現(xiàn)代高能耗設備對鋰離子電池及超級電容器提出的高能量密度及增強的循環(huán)壽命要求的重要保障。在新型電極材料家族中，錫基金屬氧化物由于其理論容量高、來源廣泛、形貌多樣等優(yōu)點而備受關注。由于這些材料本身較低的導電性嚴重阻礙了充放電過程中電子的遷移，此外在持續(xù)的充放電過程中，鋰離子的嵌入/脫出過程引起材料的嚴重聚集效應

2、和巨大體積變化易造成電極的粉化及容量的快速衰減，導致材料的循環(huán)性能和倍率性能較差，從而極大地阻礙了這些材料的實際應用。為解決這些難題，通過將含碳材料與錫基金屬氧化物進行有效復合制備錫基金屬氧化物/碳納米復合材料，尤其是錫基金屬氧化物/石墨烯納米復合物已被實驗證實是一種有效的解決辦法。基于錫基金屬氧化物在能量儲存領域的優(yōu)勢，本論文以錫基金屬氧化物/還原氧化石墨烯復合材料的結構設計為導向，制備了一系列錫基金屬氧化物/還原氧化石墨烯微/納米復

3、合材料，將其作為鋰電負極材料及超級電容器活性材料并研究了其電化學性能。綜合研究工作，取得以下主要創(chuàng)新性成果:
　　(1)利用氧化石墨烯和Sn(OH)4膠體納米顆粒間的溶膠靜電自組裝作用，然后在N2氣氛下經(jīng)550℃煅燒2h，成功制備了SnO2/還原氧化石墨烯納米復合材料(SGNC)。形貌分析顯示平均粒徑≦5nm的多晶SnO2納米顆粒均勻分散并緊密結合在褶皺狀還原氧化石墨烯納米片表面。作為鋰電負極材料，SGNC顯示出優(yōu)異的電化學性能:

4、在100mA/g的電流密度下，首次放電比容量高達1710.8mAh/g。相對于容量快速衰減的SnO2負極材料，SGNC在500mA/g的高電流密度下經(jīng)100次充放電循環(huán)后容量仍保持553.7mAh/g。
　　(2)對所制備的SGNC作為超級電容器活性電極材料亦考察了其電容性能。電化學性能測試結果顯示在1 M Na2SO4電解質溶液中，在5mV/s的掃速下，SGNC的比容量高達347.3F/g。此外，SGNC亦表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能，

5、以100mA/g的充放電流密度進行3000次充放電測試，其比容量仍保持約初始容量的90％，結果表明SGNC亦是一種極具應用前景的高性能超級電容器材料。
　　(3)采用簡易的堿蝕刻-熱解法將低體積膨脹率的ZnO引入到高理論容量的SnO2中，成功制備了ZnSnO3雙金屬氧化物。形貌分析顯示所制備的ZnSnO3呈邊長約為1μm的無定形態(tài)中空立方體。作為鋰電負極材料，在100mA/g電流密度下，其首次放電容量高達1591mAh/g，50次

6、循環(huán)后放電容量保持305mAh/g。其良好的電化學性能可歸因于其更高的理論容量、無定形態(tài)及能有效緩沖鋰離子嵌入-脫嵌過程引起的體積變化的中空結構。
　　(4)利用聚二烯丙基二甲基氯化銨修飾的表面荷正電的中空ZnSnO3立方體膠體與表面荷負電的氧化石墨烯膠體間的溶膠靜電自組裝作用，通過水熱還原和真空冷凍干燥處理成功制備了三維中空ZnSnO3立方體/還原氧化石墨烯氣凝膠(ZGAs)。由柔韌的還原氧化石墨烯包覆的中空多孔ZnSnO3立方

7、體所構成的三維ZGAs導電網(wǎng)絡不但能有效緩沖由于鋰離子在嵌入/脫嵌過程中引起的巨大體積膨脹，并能加速鋰離子在三維網(wǎng)狀結構的傳遞和電子的運輸，因而作為鋰電負極材料，ZGAs擁有更高的放電比容量（在100mA/g充放電流密度下，首次放電比容量高達1987.5mAh/g）、顯著增強的循環(huán)穩(wěn)定性（在100mA/g充放電流密度下經(jīng)100次循環(huán)，放電比容量仍達745.4mAh/g）及優(yōu)異的倍率性能（在1200mA/g高電流充放電條件下，放電比容量高

8、達552.6mAh/g）。實驗結果表明ZGAs可作為理想的高性能鋰離子電池負極材料。
　　(5)通過簡單的膠體絮凝法成功的制備出多晶ZnSnO3/還原氧化石墨烯納米復合材料（ZSGNC）。形貌分析顯示平均粒徑約4nm的橄欖球狀ZnSnO3納米晶均勻分散在還原氧化石墨烯納片表面。作為鋰離子電池負極材料，在100mA/g充放電流密度下，首次放電容量為1691mAh/g，經(jīng)100周循環(huán)后放電比容量仍高達713mAh/g，其高比容量及優(yōu)異