高品質(zhì)石墨烯制備及其雜化材料在鋰離子電池中的應(yīng)用研究.pdf

1、石墨烯具有優(yōu)異的電子傳輸性能、力學(xué)性能、傳導(dǎo)性能和吸附性能等。近年來，人們發(fā)現(xiàn)其在儲能領(lǐng)域，尤其是在鋰離子電池上有較好的應(yīng)用前景。相較于傳統(tǒng)的石墨電極材料，石墨烯的高比表面積和共軛結(jié)構(gòu)有利于儲存更多鋰離子，獲得更大的儲鋰容量。不僅如此，將石墨烯與其它活性材料（如過渡金屬氧化物、硅基材料等）雜化，可以發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，既能夠擁有穩(wěn)定的循環(huán)性能，又獲得較高的可逆比容量。雖然石墨烯的制備方法層出不窮，但大多難以兼顧高質(zhì)量產(chǎn)品與低制造成本，這

2、也制約了石墨烯的應(yīng)用推廣。
　　本文研究內(nèi)容主要有兩方面:首先，研究高品質(zhì)石墨烯的制備方法，利用液相剝離法得到結(jié)構(gòu)規(guī)整的低缺陷石墨烯;其次，研究石墨烯雜化材料的合成，發(fā)展出有別于傳統(tǒng)水熱法、模板法、化學(xué)氣相沉積法的新雜化方法，所得產(chǎn)物具有良好的電化學(xué)性能，主要工作如下:
　　(1)FeCl3-石墨烯雜化材料的制備及其在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。以非氧化法制備的1階FeCl3基石墨層間化合物(FeCl3-GICs)為前驅(qū)體，將其

3、在有機(jī)溶劑中超聲剝離來制備石墨烯和FeCl3-石墨烯(FeCl3-FLG)雜化材料。在石墨層間引入FeCl3，導(dǎo)致片層間距明顯增大，克服范德華力對片層的束縛，不僅利于石墨烯的剝離，而且在很大程度上減少晶格缺陷的產(chǎn)生。相同條件下，以天然鱗片石墨為前驅(qū)體剝離制備的石墨烯中只有32％的片層厚度小于2nm，而由1階FeCl3-GICs剝離制備的石墨烯，厚度幾乎均分布在1.0-2.0nm之間。同時，通過控制剝離時間，便可制備出FeCl3-FLG雜

4、化材料。當(dāng)用作鋰離子電池負(fù)極材料時，F(xiàn)eCl3-FLG雜化材料展現(xiàn)出較高的可逆容量，在100mA g-1的電流密度下，比容量能夠達(dá)到1002mAh g-1。在雜化材料體系中，少層石墨烯結(jié)構(gòu)可以抑制鋰離子嵌入和脫嵌過程中的引起的FeCl3體積膨脹，而且其較大的層間距，便于鋰離子擴(kuò)散。
　　(2)高壓均質(zhì)法制備高品質(zhì)石墨烯研究。為提高石墨烯制備效率，我們以1階FeCl3-GICs為前驅(qū)體，采用具有規(guī)?；苽錆摿Φ母邏壕|(zhì)法剝離石墨烯，

5、研究不同均質(zhì)壓力、均質(zhì)時間和初始分散液濃度對石墨烯剝離效果的影響。高壓均質(zhì)法具有效率高、可連續(xù)、易規(guī)?；瘧?yīng)用等優(yōu)點，其在批量制備高品質(zhì)石墨烯上具有較大潛力。研究表明在120MPa下循環(huán)50次后可以制得單層石墨烯，其平均厚度約為0.72nm，且所制備的石墨烯片具有較高的結(jié)構(gòu)規(guī)整性和較低的結(jié)構(gòu)缺陷(ID/IG＜0.1)，電導(dǎo)率能夠達(dá)到3.7×104S m-1。
　　(3)三明治結(jié)構(gòu)α-Fe2O3/石墨烯雜化材料的制備及其在鋰離子電池中

6、的應(yīng)用研究。采用高壓均質(zhì)法，我們發(fā)展出一種快速簡易制備石墨烯雜化材料的方法。以1階FeCl3-GICs為前驅(qū)體，通過控制高壓均質(zhì)時間可以制得FeCl3-FLG，將其在500℃下進(jìn)行熱處理，便得到α-Fe2O3/石墨烯雜化材料(Fe2O3/FLG)。該方法所制備的Fe2O3/FLG具有獨特的三明治結(jié)構(gòu)，α-Fe2O3顆粒能夠較均勻地負(fù)載于少層石墨烯的表面和層間，可以有效避免團(tuán)聚，抑制α-Fe2O3在充放電過程中的體積膨脹和顆粒粉碎現(xiàn)象，另

7、外高品質(zhì)石墨烯的高電導(dǎo)率可以提供高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善α-Fe2O3顆粒的傳導(dǎo)性能，縮短鋰離子的擴(kuò)散通道。值得注意的是，石墨烯和α-Fe2O3顆粒緊密接觸，不僅更利于電荷傳輸，還能保持較好的循環(huán)穩(wěn)定性。該雜化材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時，在200mA g-1的電流密度下循環(huán)350圈后，可逆容量能夠達(dá)到約1100mAh g-1。
　　(4)CoCl2-FeCl3基三元石墨層間化合物及其衍生物在鋰離子電池中的應(yīng)用研究。我們以CoCl2和