锂离子电池用高性能石墨烯的制备及性能研究

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1、隶劫大·些硕士学位论文锂离子电池用高性能石墨烯的制备及性能研究Preparationandpropertiesofhigh·-performancegrapheneusedforT●●’‘●1。‘oLlthium10nbatteriesAThesisSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYHONGFenglongSupervisedbyProf．YUXinquanIIIIIIlllllIIIllllIIIIJY2627659Sch

2、oolofMaterialsScienceandEngineeringSoutheastUniversityMrach2014东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：』型粗日期：—2啦厶一东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国

3、科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：二啦导师签名：摘要锂离子电池用高性能石墨烯的制备及性能研究石墨烯奇特的二维层状结构使其具有许多优异的性能，在化工、半导体、复合材料、锂离子电池等领域潜在着广泛的应用前程。本文通过离心分

4、级的方法对氧化石墨进行筛选，优选出氧化程度均匀的氧化石墨，并以其作为前驱体，采用高能真空微波解离的方法制备石墨烯。采用SEM、TEM、XRD、TG-DSC等检测手段对石墨烯的形貌及结构进行分析表征，通过循环伏安和交流阻抗等方法对石墨烯进行电化学性能测试。过渡金属氧化物因为具有较高的理论储锂容量而成为近年来锂离子电池负极材料领域研究的热点，但因为在充放电过程中存在的体积膨胀问题而影响电池整体的性能，石墨烯的加入可以增强过渡金属氧化物的导电性，防止其充放电过程中体积膨胀。本文在制备得到层数均匀的少层石墨烯的基础上，采用微波合成法分别将石墨

5、烯与SnO：、Mn02进行复合，并对复合材料的微观形貌及电化学性能进行分析。将制得的复合物作为负极材料组装成锂电池，通过恒电流充放电及循环伏安等检测手段对锂电池进行测试，阐述了石墨烯的加入对电池整体性能的影响机理。研究结果表明：(1)基于高能微波解离技术，在<35KPa的低真空环境下，经功率为5kW的微波辐射，仅需约10秒即可快速制备石墨烯。制备得到的石墨烯宏观形貌表现为质量较轻的絮状形态，而微观形貌则表现为表面和边缘有大量褶皱卷边的形态。通过TEM表征可以看出，大部分制备得到的石墨烯为层数较少，但也存在部分层数较多的石墨微片，部分石

6、墨烯有堆垛团聚现象。(2)通过离心分级的方法可以控制石墨的氧化程度，离心速度越高，分离出来的氧化石墨具有更高的氧化程度。以4000rpm的转速分离得到的氧化石墨为前驱体，通过微波解离的方法制备得到的石墨烯厚度均匀分布在1-3层。(3)通过微波合成的方法可以成功地将石墨烯与Sn02、Mn02进行复合。通过TEM表征可以看出，Sn02、Mn02在复合物中均呈现为3-6nm的颗粒状，在石墨烯表面分散均匀，石墨烯和SnO：、Mn02在复合的过程中均没有出现团聚现象。对比两种复合材料可以发现，Sn02相对Mn02纳米颗粒有更好的结晶性，Mn02

7、相对Sn02纳米颗粒在石墨烯表面形成更多的孔隙。(4)分别以石墨烯／Sn02、石墨烯／Mn02复合物为负极材料组装成锂离子电池，在400mA／g的电流密度下充放电测试发现，两种复合材料首次放电的比容量分别达到了1695．1mAh／g和1549．8mAIdg，首次库伦效率分别达到了61．O％和59．7％。经过100次循环后，放电比容量依旧分别保持在499．0mAIdg和551．4mAh／g，库伦效率均高达99．5％以上。交流阻抗图谱也表明石墨烯的加入能有效提高过渡金属氧化物传递和扩散电荷的能力。(5)对比两种复合材料电极发现，在相同的电

8、流密度下，石墨烯／Sn02复合材料电极有更高的首次充放电比容量和库伦效率，但是稳定后的放电比容量要低于石墨烯／MnO：复合材料电极。MnO：相对于Sn02有更低的放电平台，有助于提高电池整体的电压和功率。关键词：石墨烯；