石墨烯及硒基納米復(fù)合材料的設(shè)計合成與電化學(xué)性能研究.pdf

1、本文針對提高鋰離子電池的性能，設(shè)計合成出了一系列石墨烯和硒基納米復(fù)合材料。我們發(fā)展了石墨烯包覆空心立方納米材料的新結(jié)構(gòu);發(fā)展了熔融法使單質(zhì)硒與相互相連的空心介孔碳泡復(fù)合的新材料;低溫下合成了一種新型的石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結(jié)構(gòu)納米線材料，并系統(tǒng)的研究了其物理性質(zhì)和電化學(xué)性能。本論文的主要研究內(nèi)容可歸納為以下幾個方面:
　　1、我們將水熱所得的Co2SnO4空心立方前驅(qū)進行熱解誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過類似靜電相互作用的機制，設(shè)計合成了一

2、種獨特的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)-石墨烯包覆Co2SnO4空心立方。尺寸約為240nm，殼厚度為50-70nm的Co2SnO4空心立方均勻的被包裹在石墨烯中。當(dāng)Co2SnO4 HCs@rGO作為鋰離子電池負極材料時，與單純的Co2SnO4相比，它表現(xiàn)出了很高的容量，極好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。這一改善的電化學(xué)性能應(yīng)當(dāng)歸因于Co2SnO4 HCs@rGO這一獨特的納米構(gòu)筑。這種獨特的納米構(gòu)筑具有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可以有效緩解鋰離子脫嵌過程中的體積變化問

3、題，還可以有效提高電極電導(dǎo)率，增加活性物質(zhì)和電解液之間的電化學(xué)活性位點等。具有這種獨特結(jié)構(gòu)的功能材料對于高性能鋰離子電池有著很好的發(fā)展前景。
　　2、我們設(shè)計合成了一種新型的硒/碳復(fù)合材料-硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復(fù)合材料。這種介孔空心碳泡是由尺寸約為70nm左右，殼厚度約為12nm左右的介孔空心碳球相互連接而成的。通過熔融法將硒單質(zhì)均勻的分散到相互連接的介孔空心碳泡中，而這些相互連接的介孔空心碳泡的內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)仍然可以保持

4、。當(dāng)用作碳基電解液的鋰-硒電池正極材料時，這種硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復(fù)合材料表現(xiàn)出了極好的循環(huán)性能和倍率性能。尤其是對硒的負載量進行優(yōu)化后，硒負載量約為50％wt的硒-相互連接的介孔空心碳泡納米復(fù)合材料(Se50/PHCBs)容量保持最高，循環(huán)至120圈后，在電流密度為0.1C下，容量可達606.3mA h/g。而當(dāng)電流密度由0.1C增大到1C時，Se50/PHCBs復(fù)合材料的可逆容量仍可達到431.9mA h/g（是理論容量的

5、64％）。這一優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能應(yīng)當(dāng)歸因于這種均勻的具有內(nèi)部空心和介孔碳殼的介孔空心碳泡作為單質(zhì)硒的寄主，將大部分單質(zhì)硒有效地分散、分離，而內(nèi)部空心結(jié)構(gòu)仍保持良好。這種納米結(jié)構(gòu)可以提高整個電極材料的離子和電子電導(dǎo)率，還可以有效的緩沖長期循環(huán)帶來的巨大的體積變化。
　　3、在常溫和冰浴，沒有加熱的低溫條件下，我們設(shè)計合成了一種性能卓越的納米復(fù)合材料-石墨烯包覆的硒/聚苯胺核殼結(jié)構(gòu)納米線。在這種納米復(fù)合材料中，硒納米線由厚度約

6、為25nm的聚苯胺層很好的包覆，形成一種核殼結(jié)構(gòu)，然后這種核殼結(jié)構(gòu)的硒/聚苯胺納米線均勻的包裹在石墨烯層中。當(dāng)我們所合成的石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結(jié)構(gòu)納米線用作鋰-硒電池正極材料時，它們表現(xiàn)出了很好的循環(huán)性能（電流密度為0.2C，循環(huán)至200圈后容量保持在567.1mA h/g）和高倍率性能（電流密度為2C，容量保持在510.9mA h/g）。這一突出的電化學(xué)性能可能歸功于石墨烯包覆硒/聚苯胺核殼結(jié)構(gòu)納米線復(fù)合材料中高電導(dǎo)率的石墨烯，獨