石墨烯基储能材料的制备与性能研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA硕士学位论文MASTERTHESIS论文题目石墨烯基储能材料的制备与性能研究学科专业电气工程学号201521170209作者姓名秦金刚指导教师吴孟强教授分类号密级注1UDC学位论文石墨烯基储能材料的制备与性能研究（题名和副题名）秦金刚（作者姓名）指导教师吴孟强教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士学科专业电气工程提交论文日期2018.4.13论文答辩日期2018.5.22学位授予单位和日期电子科技大学2018年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十

2、进分类法UDC》的类号。PreparationandStudyofGraphene-basedEnergyStorageMaterialsAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:ElectricalengineeringAuthor:JingangQinSupervisor:MengqiangWuSchool:SchoolofMaterialsandEnergy摘要摘要石墨烯具有非常好的热学、电学和高强度等性能。导电性是硅的10倍，导热性在碳材料中最好；石墨烯作为锂

3、离子电池负极理论比容量（740~780mAh/g）较低，远低于硅（4200mAh/g），但锂离子在硅中嵌入/脱出时体积膨胀严重（>300%），导致硅和集流体之间的电阻增加，导致容量快速衰减，从而限制了硅的大规模商业化应用，以硅取代传统石墨做负极材料有待进一步研究。因此，结合石墨烯和硅的特性，本文制备出石墨烯与硅的复合材料从而得到高性能的锂离子电池负极材料。本论文的主要工作如下：（1）用氧化还原法制备石墨烯。通过正交实验方法分析出最优的实验条件，药品比例选择为鳞片石墨：硝酸钠：浓硫酸（98%）：高锰酸钾：去离子水：双氧水（30%）=1g：0.5g：30mL：3g：50mL：30mL。

4、实验条件为：低温（<5℃）反应2h，中温（35℃）反应0.5h，高温（95℃）反应20-30min，分别用盐酸和去离子水多次离心洗涤至中性，进行超声剥离后冷冻真空干燥得到氧化石墨烯粉末，制备出片径在50~80um的氧化石墨烯。在氮气气氛下600℃还原2h得到石墨烯。（2）微波法制备石墨烯。以双氧水（30%）对鳞片石墨进行氧化。药品的质量比为鳞片石墨：浓硫酸（98%）：过氧化氢（30%）=1g：30mL：10mL。实验条件为：反应条件控制在25℃反应1h得到可膨胀石墨，离心清洗至中性，在80℃烘干12h充分干燥，然后装入氩气气氛下的石英管中，微波加热1min得到膨胀蠕虫，超声获得石墨

5、烯片。（3）一步水热法得到石墨烯包覆硅并直接生长在泡沫镍上，该制备方法无需导电剂、无需粘结剂，并且无需研磨。其制备过程中氧化石墨烯：去离子水：硅=50mg：50mL：100mg，将氧化石墨烯加入去离子水中超声1.5h，硅加入后再超声30min，然后泡沫镍加入上述溶液中搅拌5min后倒入反应釜中180℃反应14h，之后将电极片冷冻真空干燥、煅烧。其在0.2A/g的电流密度下经过50次循环后比容量超过2400mAh/g,在2A/g的电流密度下经过2500次循环后比容量超过1500mAh/g，在4A/g的电流密度下经过2500次循环后比容量超过600mAh/g；倍率测试中，从0.5A/g

6、到16A/g再返回0.2A/g具有稳定的电化学倍率性能，在16A/g比容量仍有500mAh/g。I摘要（4）用水热法合成石墨烯气凝胶，取氧化石墨稀50、100、150mg分别加入到3个烧杯中，然后分别加入50mL去离子水的。超声搅拌90min后，将上述氧化石墨烯溶液分别倒入100mL反应釜中，180℃反应14h，得到石墨烯水凝胶，将水凝胶放入氨水中浸泡4h，冷冻真空干燥得到石墨烯气凝胶，用管式炉在氮气气氛下以10℃/min升温，600℃保持2h，对其进行充分还原，随后将气凝胶装入氩气气氛下的石英管中，经过1min微波加热可得到具有弹性较好和优异机械性能的多孔超轻石墨烯气凝胶。（5）

7、一步水热法合成石墨烯气凝胶/硅并直接切片做负极，无需集流体。在制备材料过程中，氧化石墨烯：去离子水：硅=150mg：50mL：30mg，氧化石墨烯超声1h后，加入硅再搅拌30min后倒入反应釜中180℃反应14h，将石墨烯水凝胶/硅冷冻真空干燥，然后切片做电极片。在0.2A/g电流密度下经过50次循环后比容量超过748mAh/g，在电流密度1A/g循环1000次后比容量超过500mAh/g；倍率测试中，从0.2A/g到4A/g再返回0.2A/g具有稳定的电化学倍率性能