钛酸锂_石墨烯复合材料的制备及其锂离子混合电容器负极性能的研究

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1、分类号：TM911密级：公开UDC：620编号：201431804010河北工业大学硕士学位论文钛酸锂/石墨烯复合材料的制备及其锂离子混合电容器负极性能的研究论文作者:鲁成兴学生类别:全日制专业学位类别:工程硕士领域名称:材料工程指导老师:王新职称:教授副导师:王恭凯职称:讲师DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringPREPARATIONOFLITHIUMTITANATE/GRAP

2、HENECOMPOSITESANDSTUDYONANODEPERFORMANCEOFLI-IONCAPACITORbyLuChengxingSupervisor:Prof.WangXinAssociateSupervisor:Lecturer.WangGongkaiMay2017摘要为了考察在混合电容器体系内LTO的电化学性能，本研究首先通过简单的一步固相法合成了LTO/石墨烯复合材料。在制备LTO/石墨烯复合材料过程中，石墨烯纳米片的添加量存在临界值。和单相LTO团簇相比，石墨烯纳米片嵌在LTO团簇之间，形成与LTO

3、相互交织的微观结构。同时研究了石墨烯纳米片对于LTO电化学性能的影响。优化后的LTO/石墨烯复合材料电极的极化程度降低，在0.1C倍率下展现出较高的放电比容量（172.5mAhg-1），即使在20C的放电倍率下仍能达到65mAhg-1。与活性炭正极组成锂离子混合电容器，经过正负极质量平衡后的锂离子混合电容器在2700Wkg-1功率密度下展现出了14Whkg-1的能量密度，在0.4Ag-1的电流密度下经过3000次循环后展现了优异的能量保持率（97%）。其可逆容量、倍率性能、循环寿命的提升归因于石墨烯纳米片的协同作用：缩

4、短了锂离子传输距离，提供了有效的电子导电通道。进一步，通过前驱体引导的水热法制备了多孔LTO纳米颗粒，研究了烧结温度和石墨烯添加剂对LTO微观结构演变和锂离子电容器电化学性能的影响。当烧结温度为600ºC时，可制备出颗粒细小且具有多孔微结构的LTO，其在20C的电流倍率下可提供65.2mAhg-1的比容量。随着烧结温度的升高，LTO颗粒倾向于粗大和聚集状态生长，导致了电化学性能的下降（20C倍率下比容量为14.3mAhg-1）。在加入石墨烯添加剂之后，可以得到较大比表面积、孔体积和电导率的LTO，这些特点有利于LTO与

5、电解质接触，缩短锂离子扩散距离并促进锂化/脱锂过程中的电子和离子传输，使得电化学性能大幅提升（20C倍率下比容量达到102mAhg-1）。同时考察了使用LTO/石墨烯负极材料和活性炭正极材料组成的锂离子电容器全电池电化学性能，其优异的能量/功率密度（最大能量/功率密度分别为44.0Whkg-1和7200Wkg-1）和循环稳定性（在3.2Ag-1的电流密度下经过10000次循环后电容保持率为80％）展现了广阔的应用前景。关键词：锂离子混合电容器钛酸锂固相反应水热法电化学性能IABSTRACTInordertoimprov

6、etheelectrochemicalperformanceofLTOforLICs,LTO/graphenecompositesweresynthesizedthroughafacileone-stepsolid-statereaction.ItwasfoundthatthereisanaddingthresholdofgraphenenanosheetsontheformationofLTO/grapheneduringthesolidstatereaction.Thecompositeexhibitedinter

7、weavedstructurebetweengraphenenanosheetsandLTOparticlesratherthanagglomerationascomparedwiththebareLTO.TheeffectofgraphenenanosheetsontheelectrochemicalperformanceofLTOwasinvestigated.Theoptimizedcompositewithdecreasedpolarizationexhibitsaspecificcapacityof172.5

8、mAhg-1at0.1Candstillremains65mAhg-1at20C.TheLICsfullcellwasalsoassembledforthepracticalevaluation.TheLICsfullcellwithbalancedmassratioofanodetocathodecoulddeliveranen