石墨烯/过渡金属氧化物复合材料可控合成及其在锂离子电池中的应用
发布时间：2024-04-06 17:32
随着电动汽车市场的快速发展,开发高比能、高倍率和长使用寿命的新一代动力锂离子电池成为行业研究的热点。传统石墨负极材料因理论比容量较低(372 mAh g-1)而能量密度提升空间受限。相比之下,过渡金属氧化物(TMOs)具有更高的理论比容量(～1000 mAh g-1),且其具有环境友好、成本较低等优势。本论文从TMOs纳米结构设计、构建石墨烯复合材料体系和引入多级孔结构的角度出发,提升电极材料的导电性、结构稳定性和锂离子传输效率,从而显著提高其可逆比容量、倍率性能和循环寿命等电化学性能。此外,高质量石墨烯的大规模制备工艺是限制其作为锂电负极材料的主要瓶颈。本文以非氧化插层工艺开展高质量石墨烯的宏量制备探索。主要研究内容和结果如下:(1)以氧化石墨烯、金属盐前驱体和氨水为原料采用水热方法一步合成TMOs纳米颗粒/氮掺杂石墨烯(NG)复合材料。纳米化的TMOs提供了丰富的嵌脱锂活性位点,石墨烯的锚定作用缓解了循环过程中纳米颗粒的体积变化。而且,氮掺杂处理有效克服了还原氧化石墨烯导电性恢复不足的问题。电极材料封装于CR2025型纽扣半电池中经历150圈连续循环后,Mn3O4/NG和Fe2O3...
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 锂离子电池基本知识
1.1.1 锂离子电池发展简介
1.1.2 锂离子电池基本原理
1.1.3 锂离子电池结构概述
1.2 负极材料发展概述
1.2.1 碳材料负极
1.2.2 Li4Ti5O12负极
1.2.3 硅基负极
1.2.4 过渡金属氧化物负极
1.3 石墨烯/过渡金属氧化物复合负极材料研究进展
1.3.1 石墨烯制备方法
1.3.1.1 还原氧化石墨烯法
1.3.1.2 液相剥离法
1.3.2 石墨烯及其衍生物负极材料
1.3.2.1 石墨烯材料
1.3.2.2 氮掺杂石墨烯
1.3.2.3 石墨烯三维宏观体
1.3.3 石墨烯/过渡金属氧化物复合负极材料
1.3.3.1 提高容量性能
1.3.3.2 增强倍率性能
1.3.3.3 提升循环性能
1.4 本论文的研究思路和研究内容
第2章 过渡金属氧化物纳米颗粒/氮掺杂石墨烯复合材料的制备及其电化学性能
2.1 实验仪器及方法
2.1.1 实验原料
2.1.2 主要仪器和检测设备
2.1.3 材料合成方法
2.1.3.1 氧化石墨烯(GO)的制备
2.1.3.2 过渡金属氧化物纳米颗粒/氮掺杂石墨烯复合材料的制备
2.1.3.3 电池的组装
2.1.4 表征方法及仪器
2.1.4.1 材料的物理表征
2.1.4.2 电化学性能测试
2.2 结果与讨论
2.2.1 Mn3O4/NG复合电极材料的表征及电化学性能测试
2.2.1.1 Mn3O4/NG复合材料理化性质表征
2.2.1.2 Mn3O4/NG复合材料电化学性能测试
2.2.2 Fe2O3/NG复合电极材料的表征及电化学性能测试
2.2.2.1 Fe2O3/NG复合材料理化性质表征
2.2.2.2 Fe2O3/NG复合材料电化学性能测试
2.3 本章小结
第3章 非模板法制备过渡金属氧化物空心球/氮掺杂石墨烯复合材料及储锂性能
3.1 实验仪器及方法
3.1.1 实验原料
3.1.2 主要仪器和检测设备
3.1.3 空心MxOy/NG (M=Co,Ni,Cu,Zn)复合材料合成方法
3.1.4 电池的组装
3.1.5 表征方法及仪器
3.1.5.1 材料的物理表征
3.1.5.2 电化学性能测试
3.2 结果与讨论
3.2.1 前驱体种类对反应产物结构的影响
3.2.2 金属-氨配位化学机理合成TMOs/石墨烯复合材料通用性探索
3.2.3 TMOs空心纳米结构形成过程
3.2.4 H-TMOs/NG复合材料微观结构表征
3.2.5 H-TMOs/NG复合材料氮掺杂表征
3.2.6 H-TMOs/NG复合材料电化学性能测试
3.2.7 循环后电极材料表征
3.3 本章小结
第4章 氧化镍纳米晶/三维石墨烯骨架复合材料的设计合成及储锂性能
4.1 实验仪器及方法
4.1.1 实验原料
4.1.2 主要仪器和检测设备
4.1.3 材料合成方法
4.1.4 电池的组装
4.1.5 表征方法及仪器
4.1.5.1 材料的物理表征
4.1.5.2 电化学性能测试
4.2 结果与讨论
4.2.1 前驱体形貌调控
4.2.2 热处理工艺
4.2.3 XRD及TG分析
4.2.4 Raman分析
4.2.5 复合材料形貌及结构分析
4.2.6 XPS分析
4.2.7 BET分析
4.2.8 电化学性能测试
4.2.9 循环后电极材料表征
4.3 本章小结
第5章 机械液相剥离法宏量制备高质量石墨烯负极材料探索
5.1 实验仪器及方法
5.1.1 实验原料
5.1.2 主要仪器和检测设备
5.1.3 材料合成方法
5.1.3.1 非氧化插层石墨(SI-Gr)的制备
5.1.3.2 NMP为溶剂宏量机械剪切剥离石墨烯
5.1.3.3 PVP辅助水相机械剪切剥离石墨烯
5.1.3.4 二硫化钼/石墨烯复合材料的制备
5.1.3.5 电池的组装
5.1.4 表征方法及仪器
5.1.4.1 材料的物理表征
5.1.4.2 电化学性能测试
5.2 结果与讨论
5.2.1 油相机械剥离制高质量石墨烯及其储锂性能研究
5.2.1.1 石墨烯浓度测定方法
5.2.1.2 非氧化丁胺插层石墨工艺
5.2.1.3 油相石墨烯乳液表征
5.2.1.4 高质量石墨烯锂电负极性能表征
5.2.2 水相机械剥离制高质量石墨烯及其复合负极材料探索
5.2.2.1 PVP辅助水相剪切剥离石墨烯
5.2.2.2 二硫化钼/石墨烯复合材料表征
5.2.2.3 二硫化钼/石墨烯复合材料锂电负极性能表征
5.3 本章小结
第6章 结论、创新性与展望
6.1 结论
6.2 创新性
6.3 展望
符号表
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表文章目录
本文编号：3946954
【文章页数】：159 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 锂离子电池基本知识
1.1.1 锂离子电池发展简介
1.1.2 锂离子电池基本原理
1.1.3 锂离子电池结构概述
1.2 负极材料发展概述
1.2.1 碳材料负极
1.2.2 Li4Ti5O12负极
1.2.3 硅基负极
1.2.4 过渡金属氧化物负极
1.3 石墨烯/过渡金属氧化物复合负极材料研究进展
1.3.1 石墨烯制备方法
1.3.1.1 还原氧化石墨烯法
1.3.1.2 液相剥离法
1.3.2 石墨烯及其衍生物负极材料
1.3.2.1 石墨烯材料
1.3.2.2 氮掺杂石墨烯
1.3.2.3 石墨烯三维宏观体
1.3.3 石墨烯/过渡金属氧化物复合负极材料
1.3.3.1 提高容量性能
1.3.3.2 增强倍率性能
1.3.3.3 提升循环性能
1.4 本论文的研究思路和研究内容
第2章 过渡金属氧化物纳米颗粒/氮掺杂石墨烯复合材料的制备及其电化学性能
2.1 实验仪器及方法
2.1.1 实验原料
2.1.2 主要仪器和检测设备
2.1.3 材料合成方法
2.1.3.1 氧化石墨烯(GO)的制备
2.1.3.2 过渡金属氧化物纳米颗粒/氮掺杂石墨烯复合材料的制备
2.1.3.3 电池的组装
2.1.4 表征方法及仪器
2.1.4.1 材料的物理表征
2.1.4.2 电化学性能测试
2.2 结果与讨论
2.2.1 Mn3O4/NG复合电极材料的表征及电化学性能测试
2.2.1.1 Mn3O4/NG复合材料理化性质表征
2.2.1.2 Mn3O4/NG复合材料电化学性能测试
2.2.2 Fe2O3/NG复合电极材料的表征及电化学性能测试
2.2.2.1 Fe2O3/NG复合材料理化性质表征
2.2.2.2 Fe2O3/NG复合材料电化学性能测试
2.3 本章小结
第3章 非模板法制备过渡金属氧化物空心球/氮掺杂石墨烯复合材料及储锂性能
3.1 实验仪器及方法
3.1.1 实验原料
3.1.2 主要仪器和检测设备
3.1.3 空心MxOy/NG (M=Co,Ni,Cu,Zn)复合材料合成方法
3.1.4 电池的组装
3.1.5 表征方法及仪器
3.1.5.1 材料的物理表征
3.1.5.2 电化学性能测试
3.2 结果与讨论
3.2.1 前驱体种类对反应产物结构的影响
3.2.2 金属-氨配位化学机理合成TMOs/石墨烯复合材料通用性探索
3.2.3 TMOs空心纳米结构形成过程
3.2.4 H-TMOs/NG复合材料微观结构表征
3.2.5 H-TMOs/NG复合材料氮掺杂表征
3.2.6 H-TMOs/NG复合材料电化学性能测试
3.2.7 循环后电极材料表征
3.3 本章小结
第4章 氧化镍纳米晶/三维石墨烯骨架复合材料的设计合成及储锂性能
4.1 实验仪器及方法
4.1.1 实验原料
4.1.2 主要仪器和检测设备
4.1.3 材料合成方法
4.1.4 电池的组装
4.1.5 表征方法及仪器
4.1.5.1 材料的物理表征
4.1.5.2 电化学性能测试
4.2 结果与讨论
4.2.1 前驱体形貌调控
4.2.2 热处理工艺
4.2.3 XRD及TG分析
4.2.4 Raman分析
4.2.5 复合材料形貌及结构分析
4.2.6 XPS分析
4.2.7 BET分析
4.2.8 电化学性能测试
4.2.9 循环后电极材料表征
4.3 本章小结
第5章 机械液相剥离法宏量制备高质量石墨烯负极材料探索
5.1 实验仪器及方法
5.1.1 实验原料
5.1.2 主要仪器和检测设备
5.1.3 材料合成方法
5.1.3.1 非氧化插层石墨(SI-Gr)的制备
5.1.3.2 NMP为溶剂宏量机械剪切剥离石墨烯
5.1.3.3 PVP辅助水相机械剪切剥离石墨烯
5.1.3.4 二硫化钼/石墨烯复合材料的制备
5.1.3.5 电池的组装
5.1.4 表征方法及仪器
5.1.4.1 材料的物理表征
5.1.4.2 电化学性能测试
5.2 结果与讨论
5.2.1 油相机械剥离制高质量石墨烯及其储锂性能研究
5.2.1.1 石墨烯浓度测定方法
5.2.1.2 非氧化丁胺插层石墨工艺
5.2.1.3 油相石墨烯乳液表征
5.2.1.4 高质量石墨烯锂电负极性能表征
5.2.2 水相机械剥离制高质量石墨烯及其复合负极材料探索
5.2.2.1 PVP辅助水相剪切剥离石墨烯
5.2.2.2 二硫化钼/石墨烯复合材料表征
5.2.2.3 二硫化钼/石墨烯复合材料锂电负极性能表征
5.3 本章小结
第6章 结论、创新性与展望
6.1 结论
6.2 创新性
6.3 展望
符号表
参考文献
致谢
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