石墨烯基材料调控合成与储锂性能研究

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1、石墨烯基材料调控合成与储锂性能研究1绪论1.1研究背景（ResearchBckground）随着世界经济的快速发展，不可再生化石能源日渐紧缺以及由此引发的环境问题的日益严重，人类迫切地期待高效、安全、清洁和成本低廉的新型能源，与此相关的新型储能材料与器件的研究与开发也因此成为社会和科研界关注的焦点[1,2]。在众多的能源存储转换体系中，化学电源包括二次电池具有不可替代的重要作用，尤其是作为新一代化学电源的锂离子电池（Lithiumionbattery，LIB）更被寄予了很高的希望。与铅酸、镍镉和镍氢等二次电池相比，锂离子电池具有能量和功率密度高、工作电压高、自放电率低、

2、无记忆效应、循环寿命长、使用安全和环境友好等独特优势，迅速发展成一种最重要和最先进的二次电池，在诸多应用领域发挥了不可替代的作用。2010年，全世界锂离子电池的产值已经达到118亿美元，其中60%用于移动电源，其余的则用于笔记本电脑、电动工具、医疗器械等。随着交通工具和电网调峰储能系统和其他方面对大型锂离子电池的需求日益增多，全世界锂离子电池的产值将有更大幅度增长，预计2015年可以达到314亿美元，并且到2020年达到537亿美元[3]。与此同时，锂离子电池相关的领域也成为目前基础科学和应用技术研究的热点[1,4,5]。1.2锂离子电池简介（Introductiono

3、fLIB）锂离子电池的发展历史可以追溯到20世纪50年代开始的金属锂原电池。锂是元素周期表中标准电极电势最低（E0(Li+/Li)=-3.04V）、密度最小（ρ=0.53gcm-3）、比容量最高（3860mAhg-1）和离子半径最小的金属。以金属锂作为电极的储能电池具有比能量大、电压高、放电电压平稳等优点[1]。20世纪70年代金属锂原电池的成功应用，引发并推进了金属锂二次电池的研制。1972年，Exxon公司率先推出了以金属锂为负极，TiS2为正极的金属锂二次电池[6,7]。然而，由于金属锂在充放电过程中会在电极表面不均匀沉积，形成枝晶，刺穿隔膜使电池内部短路

4、大量发热，引发了严重的安全问题。此后，围绕如何解决金属锂二次电池安全性的问题进行了长期不懈的研究，但这种金属锂二次电池最终没有实现商品化。1970年代，Armand等先后提出了两种解决途径：（1）采用聚合物固体电解质，它不与锂发生反应，可制备全固态锂金属二次电池[8]；（2）采用很低电压就能使锂离子嵌入脱出的材料来代替金属锂[9,10]，从而发展为正极和负极采用锂离子嵌入材料的锂离子二次电池。根据第二条解决途径，1990年Sony公司开始了以石油焦为负极，LiCoO2为正极的锂离子电池的商业化生产，并首次提出锂离子电池这一全新的概念[11]。由于负极采用石油焦替代了原先

5、的Li金属，解决了长期困扰锂电池的Li枝晶问题，从而极大地提高了电池的安全性。锂离子电池的出现是在二次电池历史上的一次飞跃，在随后的20余年中，其商业化进程取得了突飞猛进的发展。目前，锂离子电池已经稳固占据了、平板电脑、数码相机等便携式数码产品电源的主要市场份额，并在电动工具、电网储能、空间技术和军事装置等高容量大功率电源领域展示出了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益。..2实验2.1仪器与试剂（InstrumentsandReagents）本论文实验中所用到的主要仪器和设备见表2-1，化学合成实验和组装电池所用到的主要化学试剂和耗材见表制备研究电极是测试目标材料的储锂

6、性能和电化学反应机理的关键步骤之一。首先按一定比例称取活性材料和粘合剂，在真空干燥箱中80oC烘干12h，除去材料中的水分；将粘合剂PVDF与溶剂NMP按一定比例混合后球磨5~8h，再用超声波振荡0.5h配制成溶液；按一定比例在球磨罐中加入活性材料和粘合剂溶液，球磨2h，得到电极浆料；将浆料均匀地涂布在铜箔集流体上；再将涂膜后的电极片在鼓风干燥箱中80oC下烘干；获得的电极片按照预定的尺寸裁剪，并用粉末压力机压制后（压力15MPa），再置于真空烘箱中120oC烘干12h，然后移入手套箱内放置24h后方可使用。2.2实验电池的组装本论文所用到的两电极扣式电池和三电极模拟电

7、池均在氩气手套箱中组装完成，装配原理如图2-1所示。扣式电池采用CR2032或者CR2025商品电池壳，从下向上组装，首先将研究电极置于电池壳下盖中间，再在研究电极上面叠放一片Celgard2300隔膜（隔膜的直径略大于研究电极和对电极），并滴入适量的电解液；然后将对电极（金属锂片）叠放在隔膜上面，使其与研究电极对正；最后装好电池壳上盖，擦去外壳上漏出的电解液；将电池用生料带包裹密封，转移出手套箱，随即用扣式电池扣边机加压密封；组装好的研究电池需要静置一段时间，方可进行电化学测试[1]。组装三电极模拟电池所用的玻璃电解池是按照预先设计好的