新型石墨烯基纳米材料的制备及其在锂离子电池负极的应用

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文新型石墨烯基纳米材料的制备及其在锂离子电池负极的应用作者姓名：胡韬指导教师：刘常升教授东北大学材料与冶金学院LIANJie教授美国伦斯勒理工学院申请学位级别：博士学科类别：工学学科专业名称：材料学论文提交日期：2014年4月论文答辩日期：2014年6月27日学位授予日期：答辩委员会主席：才庆魁—————一一一评阅人：东北大学2014年6月万方数据ADissertationinMaterialsSciencePreparationandLithiumIonBatte

2、riesAnodeApplicationsofNewGrapheneBasedNanomaterialsbyHUTaoSupervisor：ProfessorLIUChangshengProfessorLIANJieNortheasternUniversityJune2014万方数据独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所

3、做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢=￡已思。学位论文作者签名：钥辛每-r阻p匕火I卜侣笠们：纠7I’，，V7日期：w／，够衫，弓·学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口学位论文作者签名：钥掺签字日期：p心e．；

4、。舻弋印％G八、心，^)缈∥名期口签日年师字两导签万方数据东北大学博士学位论文摘要新型石墨烯基纳米材料的制备及其在锂离子电池负极的应用摘要锂离子电池作为二次电池在新能源领域如便携式笔记本电脑，电动车，医疗设备等方面的应用越来越受到重视，但目自订负极材料石墨的低容量限制了其发展。过渡金属氧化物由于其高比容量(>600mAhg‘1)，是高性能锂离子电池负极的有力替代者，但是它们的低导电率，充放电过程中出现的严重体积形变造成的结构崩塌，最终导致了容量衰减和循环不稳定，不适宜工业化。目前，二维石墨烯由于

5、其优良的物理性质如超大比表面积，高导电性，优异的机械性能和良好的化学稳定性，己成为当今材料领域的研究热点。将石墨烯与金属氧化物复合时，其优良的导电性能够改善氧化物的导电率，增加电子的传输，另外，其优异的机械性能也能够很好的缓和充放电时造成的氧化物的体积膨胀，从而提高电极材料的循环性能，而且石墨烯构成的独特三维网络孔状结构也有利于电化学过程中的离子和电子传输。本文使用石墨烯为载体，分别(1)直接电喷法制备了石墨烯一C0304纳米颗粒的无粘结剂电极；(2)水热法制备了石墨烯一Ti02的柔性纸状电极；

6、(3)热处理氨水和氧化石墨烯快速制备了氮掺杂石墨烯复合材料；(4)制备氮掺杂石墨烯与多孔Fe203纳米棒的复合材料电极，并使用原子气相沉积法在电极表面沉积A1203纳米层提高电化学性能。通过直接电喷沉积氧化石墨烯和C0304纳米颗粒在集流体铜箔上，构筑了特殊的三维孔状结构，制备了无粘结剂的柔性电极。石墨烯构建的中孔网络结构很好的缓和了C0304充放电时的体积形变，同时也有利于电子和离子的传输。电化学测试表明，在lAgJ电流密度下，无粘结剂的石墨烯．C0304电极58次循环后，其可逆容量为631m

7、Ahg～，明显地高于纯C0304样品，而且库伦效率能够达到97％。以水溶胶状石墨烯柔性纸三维结构为生长载体，利用表面活性剂为中问体，在石墨烯层问生长了Ti02纳米颗粒，它，fflOa支架般穿插在石墨烯层问，形成了独特的开放式的三维纳米结构，有效的增加了锂离子的进出效率。电化学测试表明，在2Ag-1的电流密度下循环100次，可以获得122mAhg。的比容量。并且当电流密度从4Ag-1循环回200mAg一时，石墨烯一Ti02柔性纸状电极仍表现出优良的电化学稳定性并保持较高的175mAhgo的可逆容量

8、。万方数据东北大学博士学位论文摘要为了继续深入探讨石墨烯存储锂离子的性能，我们采用热处理氨水和氧化石墨烯，快速(约30s)制备了氮掺杂石墨烯(NGr)粉末。当作为负极时，与纯的无掺杂石墨烯相比，以吡啶型氮为主的多孔的NGr表现出更优异的容量保持率，优良的倍率性和循环稳定性。在0．01．3V下测试，在电流密度为2Ag_(～5．4C)下，550次循环后，NGr的可逆放电容量可以达到453mAhg～。在更高电流密度10Ag以(-27C)下，循环2000次后仍可以达到180mAhg～，而且没有容量衰减。