石墨烯材料及其锂离子电池中的应用课件

1、石墨烯膜材料在锂离子电池电极上的应用- 1阴极，1，研究背景，1.1锂离子电池的发明在上个世纪电池和充电电池的生产、生活、战争、科研活动中发挥了重要作用。但是废电池含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰、废酸、废碱等，严重污染了自然环境，其中镉、铅、汞是对人体有害的物质。著名的日本水芹病和骨痛病分别是汞中毒和镉离子中毒。1991年，索尼发表了第一款商用锂离子电池。接着，锂离子电池革新了家电的面貌。今天，锂离子电池已成为便携式电子设备的主要电源设备。锂电池不包括铅、汞、镉等有毒有害的重金属元素和物质，对环境影响很小。1.2锂离子电池工作原理，锂离子电池配置：正极、负极、隔膜、线和机壳正负极材料：锂离子

2、可插入和取出，电极电位阴极隔膜：通管，电子充电切断：Li:正极，e:负极放电：Li:手机、笔记本电脑、相机、数码相机、等众多民间和军事领域陆续普及，国内外电动汽车、宇宙、能源储存等大容量锂离子二次电池正在竞争开发中。锂离子电池电动车的发展也将稳步前进，引领锂离子电池材料的稳步发展。据经济学家预测，新能源汽车领域对锂离子电池的需求将从2009年0.25GWh爆炸增加到2015年35.73GWh。新能源汽车领域的锂离子电池在整体锂离子电池领域也从2009年的1.88%快速跃升到2015年的58.74%。从2015年开始，电动汽车市场快速增长，到2020年，电动汽车将占汽车总产量的15-20%，电动

3、汽车电池市场将达到400亿美元。一般来说，看看目前锂离子电池存在的问题：制造成本高、周期寿命低、容量低的一次性电池、镍氢电池等负极材料容量比阳极回收困难得多。图2锂离子电池的成本构成，电极材料中锂电池遇到的问题正极材料目前市场上常见的负极材料包括锂钴、锂锰、锂三元材料(锂镍钴、锂锰氧化物)。在电力电池领域，锂锰氧化物和锂铁磷酸盐是最有希望的负极材料。引领整个充电锂电池市场的正极材料LiCoO2。优点：工作电压高；充放电电压稳定。高于能量(274 mag-1)；周期性能好。缺点：Co是战略稀缺物质，价格昂贵。过度充电性能不好，存在安全风险。寿命有限的500次。结论：不能满足于大型应用程序，难以成

4、为理想的电源电池材料。LiCoO2的替代件Li3V2(PO4)3和LiFePO4。优点：材料成本低，电容量大，寿命长达2000多次。缺点：生产成本高，工艺不成熟，更重要的是内部电阻大，不能适应高密度电流放电，难以应用于高功率电源电池。阴极材料支配锂离子电池市场负极材料石墨优势：价格低廉，来源广泛。缺点：电量小，理论仅为372mAh/g，循环使用衰减大，压缩密度低。未来可能应用的阴极材料郑智薰碳基阴极材料，如过渡金属氧化物、硅基材料和合金材料。优点：电量比石墨大得多。缺点：具有循环性能下降的致命体积膨胀效果。表1几种阴极材料的理论比容量，为什么选择石墨烯？可以直接用作锂离子电池的阴极，灵活锂离子

5、电池的制备可以在提高电极电导率的同时用作电流收集材料。通过降低Si基和金属氧化物正极材料的体积膨胀效果，可以提高使用寿命。缩短锂离子电池的充电时间，提高锂离子电池的电源密度。锂离子电池正极Ge、Sn、Ni(Ge)复合材料，例如Fe2O3、Fe3O4、TiO2、CuO、CeO2、SnO2、Mn3O4、MoO、TiO 2Graphene应用于锂离子电池的关键问题在于如何降低graphene的成本。研究石墨烯和电极材料复合工艺，提高复合材料的均匀性，提高吸附性，有效调节石墨烯的组装和排列，形成良好的电子和离子传输通道，是石墨烯能否应用于锂离子电池的第二大问题。尚未解决的理论问题是石墨烯和电解质及电极

6、材料的相互作用问题。该研究组目前以问题2和3为中心进行，问题2在前面已经讨论过，在这里主要讨论了如何控制石墨烯的组装和排列(即防止石墨烯叠加，实现与集流体垂直的方法)，建立好电子和离子传输通道，实现功能和寿命多目标统一的方法。(1)在石墨烯表面负载氧化铁或氧化铜，不仅能防止石墨烯的叠加，还能增加电容量。(2)石墨烯复合粒子沉积在晶格结构的铝片上，石墨烯能与集流体垂直。2、实验设计和工艺2.1石墨烯复合粒子的制备(1)石墨烯/Fe3O4的制备，将一定量的50ml石墨烯水溶液、0.5gFeSO47H2O和0.125gFeCl36H2O放入3个瓶子中，放入恒温浴缸，搅拌1小时，将恒定浓度的NaOH溶

7、液(0.1g/55加入水滴后，40度持续反应1小时。反应停止后，将反应液冷却到室温，离心后，用蒸馏水反复清洗，直到pH=7.0，除去上层清液，在60下真空干燥24小时。(2)将石墨烯/CuO的制造一定量的50ml石墨烯水溶液、0.5gFeSO47H2O和0.125gFeCl36H2O放在3个瓶子里，放在恒温浴缸锅里，搅拌1h，将一定浓度的NaOH溶液(0.1g/5ml)慢慢添加到烧瓶里。加入水滴后，40度持续反应1小时。反应停止后，将反应液冷却到室温，离心后，用蒸馏水反复清洗，直到pH=7.0，除去上层清液，在60下真空干燥24小时。以2.2石墨烯锂离子电池阴极的制备(1)为基础，采用传统方法

8、混合复合粒子、PVDF和有机溶剂，然后涂在金属集流体上。问题是电导率低，颗粒分散不均，石墨烯基本上与集流体平行，电极制造工艺复杂，性能没有显着提高，性能不稳定。(2)电沉积导电，垂直于金属集流体，准备简单布局。电沉积设备如图3所示。取一定量的石墨烯或氧化石墨烯水溶液，距电压5V 1.5厘米，室温电沉积60-90秒，图3，3，实验结果和讨论3.1 G/Fe3O4复合粒子制备，图4。Fe2 :Fe3其他摩尔比制造的G/Fe3O4复合粒子，反应温度40度，7.733336901，2.53336901，4.0333691，5.5333691，图5。在不同反应温度下制造的G/Fe3O4复合粒子，摩尔比4

9、3336901，50度，40度，如图4和5所示，摩尔比2.5333691，反应温度40度，磁性。即使摩尔比超过5.533301，反应温度超过40度，也无法获得G/Fe3O4复合粒子。GO/Fe3O4和G/Fe3O4复合粒子干燥后导电性能好的2.0333001。图6。(A)G/PVP和(B)G/Fe3O4复合粒子的SEM电子显微镜，摩尔比4333691，反应温度40度。如图6所示，石墨烯表面加载了很多针状Fe3O4，大小约为800纳米，宽度约为50纳米。比较传统的方法和文献报道，(1)载荷率比较高，基本上自由存在的Fe3O4，(2)载荷粒子是规则形式，首次报告针状结构。这些功能为提高锂离子电池电

10、极性能提供了可能性。3.2 G/Cu(CuO)复合粒子的制备，图7显示了石墨烯/Cu离子复合粒子还原后溶液沉淀，原始黑色变成金属铜色，初步确定了G/Cu复合粒子的制备，对其结构和性能进行了详细分析，并作为锂离子电池电极性能进行了评价。图7。(A)G和(B)G/Cu复合粒子的光学照片，(A)，B，G/CuO复合粒子干燥后具有良好的导电性。3.3电沉积石墨烯或其复合粒子，图9。锯齿锌片/G复合膜的光学照片，图8。锌片/G复合膜的光学照相，graph8从氧化石墨烯溶液中容易沉积锌片/G复合膜，导电性能好，可用作锂离子电池电极。优化金属结构和电沉积工艺的设计，获得垂直于金属片的石墨烯薄膜，图9为提高石

11、墨烯基锂离子电池电极提供了新的思路。图10。锌/G/Fe3O4复合膜的光学照片表明，可通过电沉积工艺制备的G/Fe3O4复合膜的制备电导率优于传统方法，制造工艺简单，适合工业化。为了提高石墨烯基锂离子电池电极的可能性。4、总结和创新点(1)采用吸附/现场方法制备石墨烯/金属(或氧化物)复合粒子，控制金属氧化物粒子形态，更好地防止吸附锂离子和石墨烯片重叠，简单的制备过程，适合工业化。(2)可以将石墨烯或其复合粒子电极直接电沉积在金属薄板(锂离子电池电极组流体)上，从而简化锂离子电池电极工艺(通常，石墨烯先制造，然后与PVDF聚合物混合，然后再涂在金属铝板上)，无需使用工艺简单、导电性能差的PVDF作为底座，电极导电性大大提高，有助于优化电极性能。(3)设计好晶格结环等集流体(金属薄板)结构，以电沉积法制造，石墨烯提纯与集流体垂直，为锂离子在石墨烯内提高输送速度，提高锂离子电池的充放电速度提供了可能性。(4)通过减少用这种方法获得的石墨烯表面的羧基和胺基基团，提高了石墨烯内锂离子的可逆传输，用锂离子电极解决石墨烯材料的可逆成本问题，提供了提高锂离子电池充放电率容量的可能性。6，下一步研究(1)明确表征石墨烯/Fe3O4复合粒子结构和性能，并将其作为电极，对锂离子电池性能(2)系统研究石墨烯/CuO复合粒子制备工艺、结构和性能的影响分