石墨烯-Zn2SnO4復(fù)合材料的制備及其鋰離子電池負(fù)極性能研究.pdf

1、鋰離子電池因其輕便、環(huán)保、長壽命等優(yōu)點(diǎn)已成為最受關(guān)注的新型儲能裝置之一。然而，目前商業(yè)化的石墨類碳負(fù)極材料理論比容量較低，限制了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。面對社會各界對高性能鋰離子電池日益增長的需求，我們必須著手開發(fā)新的負(fù)極材料。相比于傳統(tǒng)的碳負(fù)極材料，金屬氧化物因其充放電過程中的反應(yīng)特性而具有更高的理論比容量。但金屬氧化物類負(fù)極材料同樣存在問題，即在充放電過程中，該類負(fù)極材料會伴隨著巨大的體積變化，從而使材料粉化脫落，最終導(dǎo)致循環(huán)性能差

2、。另外，低導(dǎo)電性同樣也是阻礙金屬氧化物類負(fù)極材料進(jìn)一步發(fā)展的主要原因。
　　本論文以具有較高儲鋰容量的二元金屬氧化物 Zn2SnO4作為研究對象，以提高 Zn2SnO4的導(dǎo)電性和改善其循環(huán)性能為目的開展工作。利用石墨烯基碳納米材料為導(dǎo)電基體負(fù)載 Zn2SnO4顆粒，構(gòu)造新型納米結(jié)構(gòu)，從而改善 Zn2SnO4作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能，具體工作和結(jié)果如下：
　　（1）利用化學(xué)氧化法，縱向切割多壁碳納米管制得氧化石墨烯納

3、米帶(GONRs），再通過一步溶劑熱法制備石墨烯納米帶/Zn2SnO4復(fù)合材料（rGONRs/Zn2SnO4）。通過SEM和TEM觀察到，多壁碳納米管被順利縱向拉開，得到的石墨烯納米帶寬度約為150 nm；同時 Zn2SnO4顆粒均勻分散在石墨烯納米帶表面，并沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚。作為鋰離子電池負(fù)極材料，rGONRs/Zn2SnO4復(fù)合材料相比單純的Zn2SnO4顆粒具有更優(yōu)異的循環(huán)性能，在100 mA g?1的電流密度下，經(jīng)過30次循環(huán)

4、，復(fù)合材料仍保持798.5 mAh g?1的可逆比容量，容量保持率達(dá)94.8％，而Zn2SnO4顆粒的可逆比容量僅為612.5 mAh g?1，僅為初始容量的88.6%。繼續(xù)循環(huán)至50圈，rGONRs/Zn2SnO4復(fù)合材料的可逆比容量為727.2 mAh g?1。另外，電化學(xué)阻抗譜擬合結(jié)果顯示，rGONRs/Zn2SnO4復(fù)合材料比單純Zn2SnO4顆粒具有更低的界面電荷傳遞阻抗（Rct）以及更高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，rGONRs/Zn2

5、SnO4復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)的倍率性能。
　?。?）利用改進(jìn)的Hummers法制備氧化石墨（GO），再通過溶劑熱法制備石墨烯/Zn2SnO4復(fù)合材料（rGO/Zn2SnO4）。采用SEM、XRD、TGA對復(fù)合材料進(jìn)行表征，利用恒流充放電和循環(huán)伏安法對其鋰離子電池負(fù)極性能進(jìn)行測試。研究結(jié)果表明，rGO/Zn2SnO4復(fù)合材料中，碳含量約為18%。Zn2SnO4顆粒均勻分散在rGO表面和層間，并未發(fā)生明顯團(tuán)聚；在200 mA g?1電流

6、密度下，其首次放電比容量為1325.3 mAh g?1，可逆比容量為659.6 mAh g?1，經(jīng)過30次循環(huán)后，容量保持率為90.1%。
　?。?）在 rGO/Zn2SnO4復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制得石墨烯/石墨烯納米帶/Zn2SnO4（rGO/rGONRs/Zn2SnO4）三元復(fù)合材料。對該三元復(fù)合材料的微觀形貌和鋰離子電池負(fù)極性能進(jìn)行了研究，SEM顯示 Zn2SnO4顆粒均勻分布在 rGO與rGONRs構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中