石墨烯负荷金属氧化物作高特性锂离子电池负极材料之研究

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1、石墨烯负荷金属氧化物作高特性锂离子电池负极材料之研究第一章绪论1.1前言能源是21世纪最重要的议题之一。随着化石燃料的迅速枯竭，以及海量化石燃料的消耗所造成的环境污染，人们对能源的有效利用有了更高的要求，并积极寻求可再生能源和清洁能源，用以替代化石燃料。能源储存，是能源利用的一个中间步骤。清洁、高效能源的使用，受到了全世界的关注，引起了越来越多的研究兴趣。储能可以追溯到远古时代，最初用以取火的木和木炭，是太阳能存储于生物体的生物质能。大约900年前，煤炭被发现，并作为燃料使用。在18世纪，煤炭被用于电力蒸汽驱动的发动机，象征着第一次工业革命，后来又到

2、电力时代煤炭和石油的广泛运用。石油，这是来自生物降解遗骸的有机材料，是另一种高密度太阳能能源存储介质，已被开采和大规模使用。20世纪初起，石油的运用价值明显高于燃料，不仅通过内燃机可以将其使用于动力汽车，合成纤维、树脂、塑料，几乎所有在我们今天的生活中用到东西都有来自石油化工的产品。煤炭、石油和天然气是主要能源，他们的能源载体是自然收集和储存太阳能数十亿年前的能源。一个令人担忧的问题是，目前化石燃料的能源经济与二氧化碳排放量，在过去30年急剧增加，二氧化碳排放量从1970年到2005年几乎增加了一倍，而且这种增长速率还在持续。而这种温室气体的急剧增加

3、，是导致全球气温上升变化的主要原因之一。这些问题引起了全球主要大国的集中关注，各国纷纷在各种举措上再次重新评估利用替代能源和使用电动马达来更换内燃机。在这些取代能源中，以太阳辐射能、风能和海洋潮汝能为代表的可再生绿色能源是大家关注的焦点。然而这些能量在时间和功率上非常的弥散，这些能源都需要能量储存来满足人们对能源稳定输出的需求。核反应堆可以提供一个恒定的能量，但放射性废物处置、人们对核安全性的顾虑限制了其推广和发展。地热能稳定安全、绿色环保，但是其运用受到了地理区域的限制。自从电动机和发电机在19世纪70年代被发明，电能己成为最重要的二次能源和能源消

4、耗的主要形式。电力可以于燃料燃烧的能量、太阳能发电、水电、风电、核电、潮沙发电、生物能源系统等。快速发展的现代工业和全球人口的持续增加，电能消耗有着显著增加，其消费方式是多样化的。电能是在我们生活的一部分，几乎每一个人都对其都有依赖：电力照明，电力调节房间变暖和冷却，电力烹枉，电子娱乐，电气化交通和无线电通讯。因此能源存储变得更加多元化和重要。高效、多功能、以及环保的电力能源使用的需求，促生着高性能的储能技术。在一个典型的储能过程中，一个类型的能量被转换成另一种能源形式，可用于存储和在需要时的相互转换。因此，各种能源存储系统正在开发中，旨在合理运用不

5、同的能源。由于对石油的需求的不断增长，不可再生资源的枯竭和所依赖的石油生产国的政治不稳定，目前基于化石燃料的能源经济的发展遇到了不断增加的风险。能源载体最常见的是电网、电磁波、化学能。最方便的形式储能便携式化学能源，这是我们热衷于化石燃料的热量作为推进器，照明，通讯的原因。同时，这些能源也能受益从电能储存来平衡人们对能源需求的高峰和谷地。利用电池提供这种存储化学能能源的器件，电能转换效率高，零排气。此外，替代能源是最好转换到最为广泛接受和推广使用的储电，比如与化学能量储存密度旗鼓相当的能量电池。其中电池比较有竞争力的运用有：用以驱动电动汽车，便携式存

6、储送入燃料的燃料电池或可充电的能源电池。其中，我们特别感兴趣的是一种可重复利用、低成本、安全、可充电耐电压、高容量和高速充放电的二次电池。1.2二次电池的电化学过程基本原理最早的二次电池是1859年法国科学家Plante发明的铅蓄电池，已经被开发和使用一百多年，并且现在还在使用中，铅蓄电池反应原理简单，材料广泛廉价，但是由于重金属铅不环保，而且电池本身重量大，能量密度低，已经逐渐被新的二次电池所取代。镍镉电池，镇氧电池在一段时间也得到了一些发展和运用，但是随着人们对高容量电池的追求，锂离子电池已经成为现在便携式电源的主流。第二章介孔氧化铁/石墨稀纳米

7、复合电极材料2.1引言在锂离子电池负极材料中，过渡金属氧化物（如：FeOx,C03O4和NiO)由于其高容量，已得到的广泛研究。在实际的研究与应用中，这些材料存在急需解决的难题：在裡电的充放电过程中会产生巨大的体积形变，这些形变会使得活性材料粉碎而失去电学接触，从而导致循环过程中材料的容量急剧下降。作为典型的过渡金属氧化物，铁的氧化物已被广泛研究作为锂离子电池的负极材料，研究人员已尝试了利用多种方法来控制活性材料在循环过程中的粉碎。其中典型的方法主要包括以下两类：（1）纳米结构氧化铁的制备。将氧化铁制备成纳米结构以适应体积变化引起的应力;(2)氧化铁

8、/碳复合材料的制备。确保电化学反应过程中的电接。具有优异导电性和良好化学稳定性的石墨稀，为锂离子电池活性材料