石墨烯及二氧化锡/石墨烯用作锂离子电池负极材料的电化学性能研究

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本论文结合石墨烯和纳米二氧化锡(Sn02)的特性,并针对单一Sn02用作锂离子电池负极材料所存在的不足,制备了Sn02/石墨烯复合负极材料,考察了所制Sn02/石墨烯复合负极材料的电化学性能以及水性粘结剂对该复合材料的电化学性能影响。本论文的创新之处在于:1)利用石墨烯独特的二维纳米结构及其良好的导电性能,通过包覆纳米Sn02制得Sn02/石墨烯复合负极材料,该方法有效地抑制了单一Sn02用作锂离子电池负极材料时所存在的体积膨胀以及因此而产生的循环寿命差等不足;2)对于充放电过程中会膨胀收缩的电极材料,水性粘结剂能起到一定的缓冲作用,提高材料的循环性能。在上述创新工作的基础上,本论文还取得如下主要实验结果或结论。1)在200mA/g的电流密度下循环100次后,天然石墨的放电容量为212.3mAh/g,容量保持率为61.9%;石墨烯的放电容量为445.2mAh/g,容量保持率为23.9%。2)在200mA/g的电流密度下循环100次后,Sn02/石墨烯复合负极材料的嵌锂容量可稳定在552mAh/g,容量保持率是纯Sn02的4.4倍。此外,在400、800和40mA/g的电流密度下,Sn02/石墨烯复合负极材料的放电容量可分别保持在426.0、241.3和724.5mAh/g,表现出较好的倍率性能,该结果归因于石墨烯良好的导电性及其独特的二维纳米结构。3)考察Sn02含量对Sn02/石墨烯复合负极材料的电化学性能影响。结果表明,经过100次充放电后,Sn02含量为59.6%、62.2%和65.5%复合材料的容量保持率分别为32.8%、25.4%和14.6%,表明Sn02含量存在最优值。采用聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素钠和丁苯橡胶(CMC和SBR)作粘结剂,考察Sn02/石墨烯复合负极材料的电化学性能。研究发现,经过100次充放电后,使用CMC和SBR作粘结剂时复合材料的容量保持率为43.8%,高于使用PVDF作粘结剂时的32.8%。
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