石墨烯包覆天然球形石墨材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

天然石墨是目前应用最广的锂电负极材料，具有充放电电压平台低、成本低、比容量高等优点。但其与电解液相容性差，易发生由于溶剂化锂离子的共嵌入而导致的石墨层的剥离，造成电极首次库伦效率低、循环稳定性能差、倍率性能差。石墨烯是由sp2杂化碳原子构成的二维平面结构，被认为是组成石墨的基本单元。石墨烯被引入锂离子电池电极材料中是由于其良好的导电性，大的比表面积，很好的结构灵活性，以及良好的热稳定性及化学稳定性。
　　本论文从氧化石墨烯出发，采用两种简单的“两步法”制备不同包覆比例的石墨烯包覆天然球形石墨材料，利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、以及一系列电化学测试手段考察了材料的形貌结构及电化学性能。同时研究了还原氧化石墨烯作为天然球形石墨负极导电剂的电化学性能及乙炔黑导电剂的添加对石墨烯包覆球形石墨材料电化学性能的影响。
　　我们发现，较传统导电剂——乙炔黑(Acetylene black，AB)，相同用量下还原氧化石墨烯作为导电剂的天然球形石墨电极表现出更高的容量和更好的循环性能。
　　在不添加导电剂的情况下，石墨烯包覆天然球形石墨材料表现出较高的首次库伦效率，很好的循环稳定性和倍率性能。当石墨烯包覆量为1％时，材料50次循环后的可逆容量可与添加10％AB的石墨电极等同;当石墨烯包覆量为2.5％时，材料的比容量完全高于添加10％AB的石墨电极。材料电化学性能的改善归因于石墨烯的包覆。一方面，石墨烯的柔软可变性可以保证石墨颗粒在充放电过程中的结构完整性，从而有效改善材料的循环稳定性;另一方面，石墨烯的存在提高了电极的导电性，促进更好导电网络的形成，从而改善材料的倍率性能和循环性能。因此，石墨烯包覆天然球形石墨材料中，石墨烯不仅是活性物质，也发挥导电剂的作用。
　　对于石墨烯包覆天然球形石墨材料，5wt.％乙炔黑导电剂的加入进一步提高了材料的比容量和倍率性能，乙炔黑与石墨烯协同作用，能更有效地构建导电网络，从而使电极表现出更优的性能。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．2．1 锂离子电池发展简介

1．2．2 锂离子电池组成及工作原理

1．2．3 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 碳类负极材料

1．3．2 石墨材料的嵌锂行为

1．3．3 石墨的剥离

1．4 天然石墨负极的改性

1．4．1 机械研磨法

1．4．2 表面氧化法

1．4．3 包覆改性法

1．4．4 掺杂改性法

1．5 石墨烯概述

1．5．1 石墨烯的结构

1．5．2 石墨烯的性质

1．5．3 石墨烯的制备

1．6 石墨烯及其复合材料在锂电中的应用

1．6．1 石墨烯负极

1．6．2 石墨烯复合材料

1．6．3 石墨烯作为导电剂的应用

1．7 选题依据及主要研究内容

1．7．1 选题的目的和意义

1．7．2 课题的主要研究内容

第二章 实验与测试

2．1 研究方案

2．2 实验原料、化学试剂及仪器设备

2．2．1 实验原料

2．2．2 化学试剂

2．2．3 仪器设备

2．3 实验方法

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 X射线衍射仪(XRD)

2．4．3 拉曼光谱仪(Raman)

2．5 电化学性能测试

2．5．1 电池组装

2．5．2 恒流充放电测试

2．5．3 交流阻抗(AC)测试

第三章 还原氧化石墨烯作为天然球形石墨负极材料导电剂的研究

3．1 引言

3．3．1 拉曼分析

3．3．2 XRD分析

3．3．3 SEM分析

3．4 乙炔黑与还原氧化石墨烯作为导电剂的电化学性能

3．4．1 乙炔黑与还原氧化石墨烯的电化学性能

3．4．2 还原氧化石墨烯与乙炔黑为导电剂的天然球形石墨电极的电化学性能

3．5 小结

第四章 石墨烯包覆天然球形石墨材料的制备及其电化学性能的研究

4．1 引言

4．2 搅拌蒸干法制备石墨烯包覆天然球形石墨材料及其电化学性能

4．2．1 石墨烯包覆天然球形石墨材料的制备

4．2．2 石墨烯包覆天然球形石墨材料的形貌和结构

4．2．3 石墨烯包覆天然球形石墨材料的电化学性能

4．3 抽滤法制备石墨烯包覆天然球形石墨材料及其电化学性能

4．3．1 石墨烯包覆天然球形石墨材料的制备

4．3．2 石墨烯包覆天然球形石墨材料的形貌和结构

4．3．3 石墨烯包覆天然球形石墨材料的电化学性能

4．4 石墨烯的包覆对电化学性能改善的机理分析

4．4．1 交流阻抗分析

4．4．2 电极表面形貌

4．5 小结

第五章 导电剂的添加对石墨烯包覆天然球形石墨材料电化学性能的影响

5．1 引言

5．2 含有乙炔黑的石墨烯包覆球形石墨材料的形貌

5．3 含有乙炔黑的石墨烯包覆天然球形石墨材料的电化学性能

5．3．1 循环性能

5．3．2 倍率性能

5．3．3 交流阻抗分析

5．3．4 机理模型

5．4 小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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