氢氧化镍石墨烯复合锂离子电池负极材料的合成及其电化学性能研究【字数：8547】
过渡金属氢氧化物由于其容量大于锂离子电池中锂的相对氧化物容量而受到人们的关注。本文采用了搅拌水热法合成Ni(OH)2/石墨烯复合材料。片材结构中的副片不仅提供了快速的碳电子转移，而且起到了有效的缓冲作用，释放了内部应力，阻止了活性碳的下降。结果表明，所合成的Ni(OH)2为β-Ni(OH)2，比表面积为53.9m2g(1,总孔体积为0.218 cm2g(1.片材结构中的副片不仅提供了快速的碳电子转移，而且起到了有效的缓冲作用，释放了内部应力，阻止了活性物质的脱落。因此，在100mA g(1的电流密度下100个循环之后，可以获得1132/1121mAh g(1的高可逆放电/充电容量。速率能力也得到了提高。此外， Ni(OH)2/石墨烯复合材料在高电流密度下具有良好的循环稳定性。室温循环200次，在1.0和2.0A g(1下，放电/充电容量分别为702/691和592/587 mAh g(1。结果表明，通过搅拌水热法制得的这种特殊的片状复合氢氧化物具有较强的循环性能和倍率性能，是一种很有前途的锂离子电池负极材料。
目录
第一章绪论 1
1.1 前言 1
1.2锂离子电池概述 2
1.2.1 锂离子电池工作原理 2
1.2.2锂离子电池特点 2
1.2.3锂离子电池的应用 3
1.3本文主要研究内容 4
第二章实验 5
2.1主要实验仪器与试剂 5
2.1.1 主要实验仪器 5
2.1.2 主要原料 6
2.2 Ni(OH)2/石墨烯材料的制备 6
2.2.1反应原理 6
2.2.2实验步骤 7
2.3材料的表征方法 8
第三章实验结果和分析 10
3.1 XRD图谱及表面形貌分析 10
3.2 EDS谱图分析 11
3.3 TEM分析及BET比表面积测试曲线 12
3.4 TG/DSC曲线 13
3.5 XPS分析 14
3.6电化学性能比较 15
3.6.1电池的充放电测试 15
3.6.2循环伏安测试 17
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四章结语 19
参考文献 20
致谢 22
攻读学士学位期间发表的论文 23
第一章绪论
1.1 前言
锂离子电池(LiBs)作为最有前途的储能器件之一，广泛应用于各种电子设备、混合动力汽车(HEVS)和电动汽车(EVS)[1]。LiBs对高能量密度的迫切要求，给满足这种要求的新型电极材料带来许多有趣的研究。然而，商业石墨负极的比容量仅为372 mAh g(1，与理想值相差很远[2]。为了取得突破性进展，人们广泛研究了具有多电子氧化还原中心的过渡金属氧化物，如MnO2[3]、TiO2[4]、Fe2O3、Co3O4和NiO等，被认为是最有前途的负极之一。锂、金属氧化物和金属氧化物之间的可逆转化反应导致高比容量，通常600 ~1000 mAh g(1是充分利用氧化状态的结果。锂、金属氧化物和锂氧化物之间的可逆转化反应导致高比容量,通常600~1000 mAh g(1是充分利用氧化状态的结果[5]。然而，导致金属氧化物负极粉碎的体积效应严重影响了金属氧化物的循环稳定性，制约了其应用。为了大大改善电化学性能，人们付出了很大的努力[614]。
除过渡金属氧化物外，含有硫化物、氟化物、磷化物和氮化物的过渡金属化合物也被报道为储存锂的高级负极材料。然而，这些化合物要么难以合成高纯度，要么由于氟、硫、磷元素或它们的化合物的存在而对环境不利。相比之下，过渡金属氢氧化物作为一种不受任何环境污染的过渡金属氢氧化物，受到的关注相对较少。根据电池中的化学物，人们通常认为OH对电池的操作、可逆性和副作用都是有害的。然而，最近有报道说，表面的OH基团可以有效地与锂离子反应生成LiOH。生成的LiOH与Li发生可逆反应，生成Li2O和LiH：LiOH +2 Li ++2e(Li2O + LiH。它发生在相对较低的电压和锂，并可以贡献额外的可逆容量作为负极材料[15]。因此，进一步研究氢氧化物的储锂行为是非常有必要的，因为氢氧化物可能成为LiBs的新一代能量密度较高的负极材料。
近年来，一些关于过渡金属羟基化合物的研究已被报道，以探索其电化学性能。然而，由于转化型化合物的本征性，氢氧化物也存在严重的体积效应，循环稳定性较差。它的速率能力也令人不满意，因为它的电子传导能力差。氢氧化物作为负极材料的电化学性能有待提高。氢氧化物中其他元素的掺杂[16]、微观形貌的构建[17]、与碳材料的复合以及在导电基体[6]上生长的阵列是弥补电化学中氢氧化物上述缺点的主要方法。它们大多应用在超级电容器中，很少用于LiBs。本文采用搅拌水热法制备了片状堆叠Ni(OH)2/石墨烯复合材料[18]，提高了材料的电化学性能。结构中的石墨烯片提供了快速的电子转移，并能释放因体积效应而产生的额外应力，从而阻止/削弱电极的粉碎。结果表明，Ni(OH)2/石墨烯复合材料具有良好的循环稳定性和倍率性能，是一种很有前途的高能锂离子电池负极材料。
1.2锂离子电池概述
1.2.1 锂离子电池工作原理
/
锂离子电池工作原理示意图
锂离子电池工作原理如图所示。锂离子电池是用碳素材料作为负极，用含锂的化合物作为正极其中只存在锂离子，不存在金属锂，这就是锂离子电池。
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。反应如下：
LiCoO2
充电
放电
Li1xCoO2+xLi++xe
负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子嵌入。反应如下：
C+xLi++xe
充电
放电
CLix
电池总反应： LiCoO2+C
充电
放电
Li1xCoO2+CLix
1.2.2锂离子电池特点
锂离子电池优点：
1.能量密度高。随着电极材料不同而不同。
目录
第一章绪论 1
1.1 前言 1
1.2锂离子电池概述 2
1.2.1 锂离子电池工作原理 2
1.2.2锂离子电池特点 2
1.2.3锂离子电池的应用 3
1.3本文主要研究内容 4
第二章实验 5
2.1主要实验仪器与试剂 5
2.1.1 主要实验仪器 5
2.1.2 主要原料 6
2.2 Ni(OH)2/石墨烯材料的制备 6
2.2.1反应原理 6
2.2.2实验步骤 7
2.3材料的表征方法 8
第三章实验结果和分析 10
3.1 XRD图谱及表面形貌分析 10
3.2 EDS谱图分析 11
3.3 TEM分析及BET比表面积测试曲线 12
3.4 TG/DSC曲线 13
3.5 XPS分析 14
3.6电化学性能比较 15
3.6.1电池的充放电测试 15
3.6.2循环伏安测试 17
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四章结语 19
参考文献 20
致谢 22
攻读学士学位期间发表的论文 23
第一章绪论
1.1 前言
锂离子电池(LiBs)作为最有前途的储能器件之一，广泛应用于各种电子设备、混合动力汽车(HEVS)和电动汽车(EVS)[1]。LiBs对高能量密度的迫切要求，给满足这种要求的新型电极材料带来许多有趣的研究。然而，商业石墨负极的比容量仅为372 mAh g(1，与理想值相差很远[2]。为了取得突破性进展，人们广泛研究了具有多电子氧化还原中心的过渡金属氧化物，如MnO2[3]、TiO2[4]、Fe2O3、Co3O4和NiO等，被认为是最有前途的负极之一。锂、金属氧化物和金属氧化物之间的可逆转化反应导致高比容量，通常600 ~1000 mAh g(1是充分利用氧化状态的结果。锂、金属氧化物和锂氧化物之间的可逆转化反应导致高比容量,通常600~1000 mAh g(1是充分利用氧化状态的结果[5]。然而，导致金属氧化物负极粉碎的体积效应严重影响了金属氧化物的循环稳定性，制约了其应用。为了大大改善电化学性能，人们付出了很大的努力[614]。
除过渡金属氧化物外，含有硫化物、氟化物、磷化物和氮化物的过渡金属化合物也被报道为储存锂的高级负极材料。然而，这些化合物要么难以合成高纯度，要么由于氟、硫、磷元素或它们的化合物的存在而对环境不利。相比之下，过渡金属氢氧化物作为一种不受任何环境污染的过渡金属氢氧化物，受到的关注相对较少。根据电池中的化学物，人们通常认为OH对电池的操作、可逆性和副作用都是有害的。然而，最近有报道说，表面的OH基团可以有效地与锂离子反应生成LiOH。生成的LiOH与Li发生可逆反应，生成Li2O和LiH：LiOH +2 Li ++2e(Li2O + LiH。它发生在相对较低的电压和锂，并可以贡献额外的可逆容量作为负极材料[15]。因此，进一步研究氢氧化物的储锂行为是非常有必要的，因为氢氧化物可能成为LiBs的新一代能量密度较高的负极材料。
近年来，一些关于过渡金属羟基化合物的研究已被报道，以探索其电化学性能。然而，由于转化型化合物的本征性，氢氧化物也存在严重的体积效应，循环稳定性较差。它的速率能力也令人不满意，因为它的电子传导能力差。氢氧化物作为负极材料的电化学性能有待提高。氢氧化物中其他元素的掺杂[16]、微观形貌的构建[17]、与碳材料的复合以及在导电基体[6]上生长的阵列是弥补电化学中氢氧化物上述缺点的主要方法。它们大多应用在超级电容器中，很少用于LiBs。本文采用搅拌水热法制备了片状堆叠Ni(OH)2/石墨烯复合材料[18]，提高了材料的电化学性能。结构中的石墨烯片提供了快速的电子转移，并能释放因体积效应而产生的额外应力，从而阻止/削弱电极的粉碎。结果表明，Ni(OH)2/石墨烯复合材料具有良好的循环稳定性和倍率性能，是一种很有前途的高能锂离子电池负极材料。
1.2锂离子电池概述
1.2.1 锂离子电池工作原理
/
锂离子电池工作原理示意图
锂离子电池工作原理如图所示。锂离子电池是用碳素材料作为负极，用含锂的化合物作为正极其中只存在锂离子，不存在金属锂，这就是锂离子电池。
正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。反应如下：
LiCoO2
充电
放电
Li1xCoO2+xLi++xe
负极反应：放电时锂离子脱插，充电时锂离子嵌入。反应如下：
C+xLi++xe
充电
放电
CLix
电池总反应： LiCoO2+C
充电
放电
Li1xCoO2+CLix
1.2.2锂离子电池特点
锂离子电池优点：
1.能量密度高。随着电极材料不同而不同。
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