水热法合成氧化亚钴纳米粒子/石墨烯复合材料及其储锂性能研究

针对目前的锂离子电池负极材料存在比容量低、循环稳定性差等问题,本工作发展了简单、有效的方法合成氧化亚钴纳米粒子与石墨烯的复合材料（CoO/RGO）.采用氧化石墨（GO）和Co（NO₃）₂作为原料,先用水热路线制备了前驱体,再将其在氮气气氛下热处理,最终得到CoO/RGO复合材料.存在于石墨烯表面的CoO纳米粒子可以有效地阻止石墨烯片层的聚集,同时石墨烯片层的相互连接能够形成三维的空间网络,提高复合材料的导电性.将合成的CoO/RGO复合材料作为负极,以锂片作为正极,组装成纽扣电池.电化学测试表明,在电流密度为100 mA·g^-1的条件下,初始比容量放电比容量高达1312.6 mAh·g^-1,在10000 mA·g^-1的大电流密度下,经过300圈循环后,其比容量仍然可以达到557.4 mAh·g^-1.这表明CoO/RGO复合材料具有高的比容量、优异的倍率性能及循环稳定性,这归因于3D网状结构能够避免在锂离子的嵌入/脱出过程中材料的结构被严重破坏.     

石墨烯包覆富锂层状材料的制备及其电化学性能

应用共沉淀结合固相烧结合成了富锂层状氧化物（Li-rich layered oxide,LLO）Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂. 对制备的富锂材料用氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）包覆后,再经300 ^oC空气中煅烧,制备了石墨烯（Graphene,Gra）卷绕包覆的复合材料（LLO/Gra）. 使用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）及电化学方法表征所得样品. 结果表明,富锂层状氧化物均匀地卷绕在石墨烯中. 与原始富锂材料相比,石墨烯包覆后的复合材料表现出更加优异的电化学性能. 尤其是石墨烯卷绕可以改善富锂材料的导电性,提高材料的放电倍率性能,在2.0至4.8 V电压范围内,0.1C（20 mA·g^-1）电流充放电下,容量达270 mAh·g^-1,1C倍率下复合物的放电容量接近200 mAh·g^-1,比原始LLO材料170 mAh·g^-1提高了15%.     

Mn3O4/石墨烯复合材料的制备与电化学性能研究

本文以氧化石墨烯（GO）溶液为氧化剂,采用水热法使GO直接氧化Mn(Ac)₂制备Mn₃O₄/石墨烯复合材料,并通过在制备过程中加入氨水提高了复合材料中GO的还原程度与Mn₃O₄颗粒的分散性. 制得的Mn₃O₄/石墨烯复合材料表现出优异的电化学性能. 在0.5 A·g^-1的电流密度下复合材料质量比容量可达到850 mAh·g^-1,0.5 A·g^-1时充放电循环测试200周容量保持率为99%.     

微波诱导等离子体技术制备rGO@S复合正极及其在高倍率锂硫电池中的应用

锂硫电池具有高能量密度、低成本和环境友好等优势,有望满足市场日益增长的需求。然而,其正极材料中的活性物质硫存在溶解穿梭等问题,限制了锂硫电池的大规模应用。本文利用氧化石墨(GO)作为碳源、升华硫作为硫源,通过微波诱导等离子体技术(MIP)快速高效(30-40 s)地制备得到了还原氧化石墨烯负载硫纳米颗粒锂硫电池复合正极材料(rGO@S),其中,rGO褶皱卷曲、相互连接的层片状结构,有利于电解液中的锂离子向电极材料中扩散和迁移,同时有利于提高电极材料的导电性,且rGO上的含氧官能团也能够起到对硫纳米颗粒的固定作用,有利于电极材料循环稳定性的提升。得益于其独特的形貌结构,rGO@S在电池测试中表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。在0.1 A·g^-1的电流密度下,rGO@S的可逆比容量为1036 mAh·g^-1,当电流密度增大到8 A·g^-1其可逆比容量仍高达832 mAh·g^-1,且经过8 A·g^-1的超大电流密度充放循环,当电流密度回到0.1 A·g^-1...     

锗酸锌纳米棒@石墨烯复合负极材料的制备及储锂性质

以二氧化锗和二水合醋酸锌为原料,采用水热法制备了锗酸锌纳米棒,并将其与氧化石墨烯复合,制备了石墨烯包覆的锗酸锌纳米棒三维复合材料. SEM等测试表明,锗酸锌纳米棒均匀地穿插在石墨烯片中,阻止了石墨烯片之间相互堆垛,而石墨烯片层之间相互连接,形成三维的空间导电网络,提高了材料的电子导电性.电化学测试表明,石墨烯片作为稳定的框架,能够有效缓冲活性物质在脱嵌锂过程中产生的体积变化,在500 mA·g^-1电流密度下循环190次后, Zn₂GeO₄@RGO复合材料的嵌锂容量仍有1189.5 mAh·g^-1;在3.2 A·g^-1的大电流密度下,嵌锂容量达到449.5mAh·g^-1,表明该复合材料具有优异的长循环稳定性和良好的倍率性能.     

还原氧化石墨烯/TiO2复合材料在钠离子电池中的电化学性能

二氧化钛(TiO₂)作为有前景的钠离子电池负极材料, 具有良好的循环稳定性, 但由于其导电率较低, 而导致容量和倍率性能不佳限制了其实际应用. 本文采用喷雾干燥技术制备了氧化石墨烯/纳米TiO₂复合材料(GO/TiO₂), 通过热处理获得还原氧化石墨烯/TiO₂复合材料(RGO/TiO₂). 电化学测试结果表明, 还原氧化石墨烯改性的RGO/TiO₂复合材料的电化学性能得到显著提升, RGO含量为4.0%(w)的RGO/TiO₂复合材料在各种电流密度下的可逆容量分别为183.7 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 153.7 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和114.4 mAh·g^-1 (600mA·g^-1), 而纯TiO₂的比容量仅为93.6 mAh·g^-1 (20 mA·g^-1), 69.6 mAh·g^-1 (100 mA·g^-1)和26.5 mAh·g^-1 (600mA·g^-1). 4.0%(w) RGO/TiO₂复合材料体现了良好的循环稳定性, 在100 mA·g^-1电流密度下充放电循环350个周期后, 比容量仍然保持146.7 mAh·g^-1. 同等条件下, 纯TiO₂电极比容量只有68.8 mAh·g^-1. RGO包覆改性极大提高了TiO₂在钠离子电池中的电化学嵌钠/脱钠性能. RGO包覆改性技术在改进钠离子电池材料性能中将有很好的应用前景.     

三维多级孔类石墨烯载三氧化二铁锂离子电池负极材料

采用简单的水解、热处理方法合成三氧化二铁（Fe₂O₃）负载在三维多级孔类石墨烯（3D HPG）上的复合材料. 3D HPG有效的导电网络有利于负载纳米Fe₂O₃,使其呈均匀分散状态,并有效增强纳米复合物的导电率,提高Fe₂O₃利用率,抑制纳米Fe₂O₃的团聚,从而制得稳定、高性能的锂离子电池负极材料. Fe₂O₃-3D HPG电极在50 mA·g^-1电流密度下首次放电容量达1745 mAh·g^-1,50周期放电容量保持于1095 mAh·g^-1.     

石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料的制备及其锂硫电池性能研究

锂硫电池具有理论能量密度高、活性物质价廉、毒性低等优点,是最具发展潜力的高能量二次电池之一,其应用仍存在硫面载量小、循环寿命短和库伦效率低等难题.制备了石墨烯包覆的硫填充碳纳米笼自支撑整体材料,可直接用作锂硫电池正极,避免使用粘结剂、导电剂和集流体,当硫的面载量为3.8 mg·cm^-2时,锂硫电池展现出高的可逆比容量（1104 mAh·g^-1）、优异的循环稳定性（每圈容量衰减率仅为0.049%@1.0 A·g^-1）和>99.9%的库伦效率,其面积比容量（3.7 mAh·cm^-2）处于锂硫电池的先进水平.该电极的优异性能可归因于以下因素的协同作用：碳纳米笼的物理限域作用及石墨烯中含氧官能团的化学吸附作用有效抑制了活性物质的流失,微孔-介孔-大孔共存的分级孔结构和高导电性利于离子和电子的传输,纳米笼空腔填充有利于缓解体积膨胀造成的影响,整体材料的自支撑稳定结构有利于增加硫载量且维持电化学性能.本研究还提供了一种工艺简单、能有效提高面积比容量的硫正极制备方法.     

类石墨烯类活性炭材料的简易合成及其在锂硫电池中的应用研究

锂硫电池由于具有较高的理论容量被视为一种最具发展潜力的储能装置. 然而,硫的利用率较低及循环寿命短等问题限制着其商业化进程. 本文通过一种简单易行的方法将三聚氰胺（C₃H₆N₆）和L半胱氨酸(C₃H₇NO₂S)碳化,制备出一种氮掺杂类石墨烯活性炭材料（NGC）. 该材料的类石墨烯结构能够有效抑制锂硫电池在充放电过程中产生的体积效应,以此提升其循环性能. 不仅如此,材料中含有的含氮官能团还可以促进离子转移,抑制多硫化物的溶解,进而提升硫的利用率. 其中,制备出的NGC-8/PS复合电极用于锂硫电池时在0.2 C的电流密度下初始容量为1164.1 mAh·g^-1,在经过400圈的充放电循环之后依然具有909.4 mAh·g^-1的比容量,每圈容量衰减仅为0.05%,甚至在2C的电流密度下也能达到820 mAh·g^-1的高比容量.     

自支撑石墨烯/聚苯胺纳米纤维薄膜的制备及其电化学电容行为

用真空抽滤氧化石墨（GO）与聚苯胺（PANI）纳米纤维的混合分散溶液,流动组装得到自支撑GO/PANI复合薄膜,再利用气态水合肼还原其中的GO,最后重新氧化和掺杂还原态PANI,制备了自支撑石墨烯（GN）/PANI薄膜.扫描电子显微镜（SEM）结果显示,GN/PANI薄膜为层状结构,且PANI纳米纤维均匀插层于GN片间.PANI纳米纤维在复合薄膜中的存在有效增大了GN之间的层间距,有利于电解液离也GN充分接触.GN的高电导性则有利于PANI氧化还原过程中的电荷传输.电化学测试表明,GN/PANI薄膜在1 mol·L^-1HCl电解液中具有良好的电化学电容性能,在0.1 A·g^-1的电流密度下的比容量为495 F·g^-1,在3A·g^-1时为313 F·g^-1.经过2000次连续充放电,其具有90%的电容保持率,表明该复合材料具有良好的电化学稳定性.     

纳米CoFe2O4/GNS负极制备及其电化学性能研究

采用溶剂热法一步合成纳米尺寸CoFe₂O₄/GNS复合材料（直径约为15 nm）,其颗粒尺寸均一,且均匀分散于石墨烯表面. 电化学测试结果表明,该复合物电极具有良好的循环和倍率性能,500 mA·g^-1电流密度下100周期循环比容量稳定在709 mAh·g^-1, 容量保持率高达95.8%;2 A·g^-1电流密度,其比容量仍高达482 mAh·g^-1.     

3D石墨烯/镍铝层状双金属氢氧化物的制备及超级电容性能

超声分散氧化石墨和聚苯乙烯微球于去离子水形成稳定分散液, 加入氨水和水合肼还原氧化石墨得到包覆石墨烯纳米片的聚苯乙烯微球, 经6 mol·L^-1 KOH碱蚀和甲苯洗脱聚苯乙烯制备3D石墨烯. 将3D石墨烯超声分散于去离子水, 然后分别以硝酸镍、硝酸铝和尿素为镍源、铝源和碱源化合物水热合成3D石墨烯/镍铝层状双金属氢氧化物复合材料. 采用红外、拉曼、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和恒电流充-放电测试对材料的结构、形貌及电化学性质进行研究. 结果表明, 氧化石墨被还原形成有微孔结构的3D石墨烯. 镍铝双金属氢氧化物纳米片均匀分散在3D石墨烯孔壁. 在1 A·g^-1的电流密度下, 复合材料电极的比电容为1054.8 F·g^-1. 当电流密度增加到8 A·g^-1时, 比电容为628.1 F·g^-1. 循环充-放电1000次后, 比电容仍保持在97%以上, 呈示该复合材料具有优异的电化学性能.     

具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料的储镁性能研究

镁二次电池具有安全性高、价格低廉等优点,是一种具有潜在应用前景的高能量密度电池体系.目前,镁二次电池的研究重点之一是寻找合适的电极材料.最近,我们通过水热和热处理相结合的方法成功制备了具有三维导电网络结构的锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料.研究发现,在石墨烯的三维导电网络片层上,均匀分布了粒径小于100 nm的锡纳米颗粒.将锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合材料作为镁二次电池电极材料,当电流密度为15 mA·g^-1和300 mA·g^-1时,首次放电容量分别达到了545.4 mAh·g^-1和238.8 mAh·g^-1,经过150圈后,容量保持率达到了93%,库伦效率为99%,表现出了较高的电化学活性.研究还发现,镁离子嵌入复合材料中形成镁锡合金,当镁离子脱出后,再次形成锡纳米颗粒/石墨烯纳米片复合电极材料,镁离子的脱出和嵌入具有很高的可逆性.这对未来研究设计高性能镁离子电极材料具有十分重要的意义.     

减少再堆叠改性的石墨烯薄膜在锂离子电池中的应用

对溶剂化的石墨烯薄膜进行冷冻干燥处理得到改性的石墨烯薄膜,这种处理可以降低干燥过程中石墨烯片层之间严重的再堆叠.结果表明改性的石墨烯薄膜具有更多的折皱和更大的层间距,并提高了电化学性能.在电流密度为50 mA·g^-1时,该电池首次循环的放电和充电比容量分别为1189.3和645.2 mAh·g^-1,400次循环后充电比容量仍然超过305 mAh·g^-1,显著高于使用传统真空过滤得到的石墨烯薄膜的电化学性能.此外,相对于传统的石墨电极（包括活性物质、聚合物粘结剂和导电集流体）,石墨烯薄膜电极的质量和成本有明显的下降.     

石墨烯/多孔纳米硅负极的电化学性能

采用酸浸蚀Al-Si合金的方法制备了多孔纳米Si,并用其制作以石墨烯为导电材料的石墨烯/多孔纳米Si负极. SEM和TEM的分析表明两者混合均匀. 作为锂离子电池的负极,该电极在1 mol•L^-1 LiPF₆/EC(碳酸乙烯酯):DMC(碳酸二甲酯) = 1:1(by volume) + 1.5%(by mass)VC(碳酸亚乙烯酯)溶液中、0.5 A•g^-1电流密度下,第120周循环的放电比容量为1842.6 mAh•g^-1,充放电效率为98.6%. 石墨烯的加入不仅提高了电极的导电性,而且减缓了充放电过程中电极多孔纳米结构的衰变.     

可溶性氧化-还原介质促进分级结构碳纳米笼的锂氧电池性能

锂氧（Li-O₂）电池因具有超高的理论能量密度而受到人们的关注,但仍面临实际比容量较低、过电势较高和循环稳定性较差等挑战.以具有高比表面积、分级孔结构、丰富缺陷和高电导率等特征的3D分级结构碳纳米笼（hCNC,hierarchical carbon nanocages）为正极材料,构建出具有高放电容量（14080 mAh·g^-1）和良好循环稳定性的Li-O₂电池;当在电解质中添加可溶性乙酰丙酮亚铁（Fe（acac）₂）氧化-还原介质后,其放电容量、倍率性能和良好循环稳定性显著提升,过电势明显下降,如完全放电容量可达23560 mAh·g^-1（XC-72的7.82倍）,在0.5 A·g^-1电流密度和800 mAh·g^-1截止比容量下可稳定循环138圈（远高于未加Fe（acac）₂的68圈和XC-72的13圈）,在5.0 A·g^-1高电流密度下仍可稳定循环63圈（远高于未加Fe（acac）₂的21圈）.优异的电化学性能可归因于：hCNC的特征结构能有效地促进电子传输和2Li⁺+O₂+2e^-⇆Li₂O₂（s）的可逆转化,为放电产物Li₂O₂提供足够分散和容纳空间;可溶性氧化-还原介质Fe（acac）₂能有效地催化Li₂O₂放电产物形成均匀分散的小尺寸颗粒堆积多孔形貌和随后的充电分解,进而降低过电势和提升电池的循环稳定性.本研究提供了通过设计新型碳基正极材料和添加高效可溶性氧化-还原介质提高锂氧电池性能的新思路.     

分级结构氮掺杂碳纳米笼:高倍率长寿命可充电镁电池正极材料

可充电镁电池成本低、安全性好,是非常有前景的下一代二次电池,其关键之一是开发高性能的正极材料.本工作首次利用分级结构氮掺杂碳纳米笼（hNCNC）作为可充电镁电池的正极材料,展现出高放电比容量（71 mAh·g^-1@100 mA·g^-1）、优异的倍率性能（60 mAh·g^-1@2000 mA·g^-1）和长循环稳定性（1000圈容量保留率83%@1000 mA·g^-1）.hNCNC呈现电容行为主导的储镁机制,理论研究表明镁离子主要吸附在微孔边缘的碳原子、吡啶氮或吡咯氮等活性位点上.其优异储镁性能可归因于：（1） hNCNC的大比表面积（1590 m²·g^-1）、丰富微孔缺陷和高吡啶/吡咯氮含量（4.49 at.%）有效提升了储镁容量;（2） hNCNC的高导电性、多级孔道结构及N掺杂导致的高浸润性有利于电荷传输,降低了电池的等效串联电阻,从而改善了倍率性能;（3） hNCNC的稳定碳骨架结构及其表面吸附储镁机制使其具有优异的长循环稳定性.     

组氨酸功能化石墨烯量子点@纳米硅负极材料的制备及电化学性能研究

以柠檬酸和组氨酸混合物为碳源采用高温热解法制备组氨酸功能化石墨烯量子点（CH-GQD）.CH-GQD是由平均尺寸仅为3.5 nm的石墨烯片组成,片的边缘含有丰富亲水基团,产品极易溶于水,具有强而稳定的荧光发射.将CH-GQD包覆于硅纳米粒子表面得到石墨烯量子点@硅复合物,以此复合物电极为负极、金属锂片为正极装配锂电池,并测试其电化学性能.研究表明,CH-GQD的引入使硅负极的电子转移阻抗下降超过14.7倍,电极与电解质之间的锂离子扩散系数提高310倍,减少了因硅与电解液分子发生副反应造成的储锂容量迅速衰减.CH-GQD@Si电池在50和1000 mA·g^-1恒电流下首次放电容量分别是3325和1119 mAh·g^-1.在100 mA·g^-1电流密度下循环100圈放电容量仍保持1454.4 mAh·g^-1.CH-GQD@Si的电池行为明显优于硅负极和柠檬酸和丙氨酸热解产生石墨烯量子点（CA-GQD）改性后的硅负极.由于CH-GQD和CA-GQD在结构上仅相差一个咪唑边缘基团,上述结果还证明咪唑基对提高复合物电极电化学性能发挥了重要作用.     

精氨酸插层氧化锰纳米结构材料的制备和表征

应用氧化法水热合成了Na型层状氧化锰[BirMO(Na)], 通过离子交换反应在0.1 mol/L HCl溶液中Na型层状氧化锰转化成H型层状氧化锰[BirMO(H)]. BirMO(H)在四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]溶液中搅拌处理7 d后, 剥离生成了MnO2纳米层胶体分散液. 剥离的MnO2纳米层胶体分散液在pH＝4.0～11.0的精氨酸溶液中搅拌2 d, 得到了层间距为1.49 nm的精氨酸插层氧化锰纳米结构材料. 通过XRD, DSC-TGA, SEM, IR及元素分析对合成试样进行了分析表征. 结果表明精氨酸在氧化锰层间的插入量及插入形式与重组溶液的pH值密切相关, 其最大插入量为1.80 mmol/g.     

影响热还原氧化石墨烯超级电容器性能的因素比较

通过改进的Hummer法制得氧化石墨烯,并在不同温度的氩气气氛中还原得到一系列热还原氧化石墨烯（T-RGO）. 电化学测试表明,T-RGO作为超级电容器电极材料时,良好的导电性是必需的,但石墨烯表面含氧官能团对其电容性能的影响要远大于导电性和比表面积的影响,900 °C还原的T-RGO比表面积为314 m²·g^-1电导率为2421 S·m^-1,但其容量只有56 F·g^-1,然而300 °C还原的T-RGO比表面积为18.8 m²·g^-1电导率为574 S·m^-1,其容量却达到281 F·g^-1. 材料表征分析表明,300 °C 还原的石墨烯之所以有更高的电容,是因为除双电层电容外,更多的是由其表面含氧官能团提供的赝电容,这使作者以后在设计制备超级电容器等储能设备用石墨烯基电极材料时更加有针对性.