鋰二次電池用碳基復(fù)合納米電極材料制備與性能研究.pdf

1、隨著高能耗產(chǎn)業(yè)如電動(dòng)交通工具等的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的鋰二次電池性能已不敷使用，亟需發(fā)展能量密度數(shù)倍于現(xiàn)有材料、綜合性能更優(yōu)的高性能電極材料。高性能鋰二次電池電極材料構(gòu)筑的關(guān)鍵在于通過對(duì)儲(chǔ)鋰活性材料組成結(jié)構(gòu)、功能性質(zhì)等的調(diào)控來增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。針對(duì)這一關(guān)鍵科學(xué)問題，本文面向高容量鋰二次電池納米復(fù)合電極材料設(shè)計(jì)、構(gòu)筑及應(yīng)用研究展開，通過對(duì)納米復(fù)合電極材料表面性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形貌、孔隙結(jié)構(gòu)等的精細(xì)調(diào)控以實(shí)現(xiàn)高容量、長壽命納米復(fù)合電極材

2、料的創(chuàng)制，具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　基于單氰胺分子在石墨烯表面的原位聚合反應(yīng)，建立了具有高氮含量的氰胺聚合物功能化石墨烯制備新策略。在不損傷石墨烯導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)完整性的前提下提高其表/界面反應(yīng)活性，成功在其表面耦合超細(xì)Fe3O4納米顆粒，構(gòu)筑了Fe3O4納米顆粒/富氮碳功能化石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)降低了鋰離子及電子的傳輸路徑，提高了電極的整體結(jié)構(gòu)和界面穩(wěn)定性，展現(xiàn)出優(yōu)異的長期循環(huán)穩(wěn)定性及大電流充放電性能:在2-5Ag-1電流密

3、度下穩(wěn)定循環(huán)1000次后比容量為540-690mAhg-1,容量保持率80％以上;10Ag-1電流密度下比容量為443mA h g-1,仍高于傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料的理論比容量(372mA hg-1)。
　　基于葡萄糖分子在石墨烯表面的原位聚合反應(yīng)，成功構(gòu)筑了具有高反應(yīng)活性的水熱碳功能化石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。基于石墨烯表面水熱碳對(duì)Fe3+的吸附效應(yīng)與納米限域效應(yīng)，成功制備了微孔碳功能化石墨烯包覆Fe3O4量子點(diǎn)的二維復(fù)合結(jié)構(gòu)。由于Fe3O4量

4、子點(diǎn)超短的離子擴(kuò)散長度與高反應(yīng)活性以及外層微孔碳的保護(hù)作用，二維復(fù)合結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)鋰性能明顯優(yōu)于上章構(gòu)筑的Fe3O4納米顆粒/富氮碳功能化石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)，在10Ag-1大電流密度下循環(huán)1000次后比容量仍可保持420mA h g-1以上，容量保持率高達(dá)91.3％。
　　以具有納米二級(jí)結(jié)構(gòu)的柔性自支撐活性碳布(ACF)為基底材料，通過溫和可控的水熱反應(yīng)在其表面均勻沉積TiO2(B)納米薄片作為活性組分，成功構(gòu)筑了具有優(yōu)異倍率性能及超長循環(huán)

5、壽命的TiO2(B)/ACF柔性整體式電極。此類整體式電極可直接應(yīng)用為鋰離子電池電極，無需使用粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑等其他助劑，亦無需使用較重的金屬集流體，在20C的超大倍率下循環(huán)2000次后，電極的比容量仍高達(dá)130mA h g-1,且多次折疊后電極性能基本不受影響。
　　以聚苯乙烯微球?yàn)榻Y(jié)構(gòu)模板，結(jié)合碳納米管的物理三維組裝策略，成功構(gòu)筑了具有大孔-中孔多級(jí)孔結(jié)構(gòu)的自支撐碳納米管薄膜電極并應(yīng)用為鋰空氣電池正極。以金屬鋰為對(duì)負(fù)極構(gòu)筑的鋰空