论文部分内容阅读
石墨烯是一个两维单层石墨片，其表现出许多独特且吸引人的性质，例如，超高导电性，高导热性，高比表面积，稳定的化学性能。这些特性致使石墨烯成为一种构建三维导电网络优良材料，从而能够大幅提高锂离子和钠离子的电极材料的电化学储能性能。然而，由于石墨烯高的比表面积和片层间的强烈疏水作用力，石墨烯极其容易聚集成石墨片，导致对基于石墨烯的电极材料的电化学性能并不令人满意，相比起始电极材料，性能的提升并不显著。另一方面，当前电极材料基于多种储能存储机制，其中某些类型的电极材料对其存在的导电石墨烯网络进一步提出更高其他要求。例如锡基材料，金属氧化物，以及金属硫化物等拥有高理论容量的电极材料，其进行锂化/脱锂化的同时伴随巨大的体积变化，从而破坏了起始构建的石墨烯的网络，导致这些类型的石墨烯基复合材料表现出低的容量释放和差的循环寿命。因此，对于不同储能机制的电极材料，针对性地设计和构筑具有特定纳米结构的石墨烯基复合电极材料非常必要，也是一项具有挑战性的课题。在这项研究中，我们对于各种不同类型的电极材料，设计和合成料具有不同特征的纳米结构的复合材料。例如，针对基于相转变储钠的NASICON型NaTi2(PO4)3(NTP)和Na3V2(PO4)(NVP)电极材料，我们设计并合成了三维石墨烯网络包裹得NTP纳米粒子的复合材料(0D-NTP(∈)3D-GN)以及石墨烯和无定形碳双层包裹NVP纳米晶复合材料(NVP@C@RGO )。三维石墨烯网络增加了电子/离子传递动力学和提升电极结构稳定性，使得获得的复合电极材料在充放电倍率，长循环寿命以及初始库仑效率方面表现出优异的电化学性能。针对循环过程中体积变化大的锡基复合电极材料，我们提出和合成出三维(3D)多孔石墨烯网络包裹得锡基纳米粒子复合材料。预存的相互连接的纳米尺寸的孔道为活性材料体积变化提供必要的空间，防止它们在循环的过程中破坏石墨烯网络框架，并允许锂离子通过间隙中的电解质快速地接触到活性材料的表面。其次，导电石墨框架可以阻止纳米颗粒的聚集，促进电子转移，和稳定固态电解质膜(SEI)的形成。因此，所获得的复合材料具有高的可逆容量和杰出的充放电倍率能力，以及超长循环稳定性。针对多硫化合物的溶解导致的容量不稳定的硫电极材料，我们制备出一个具有自支持，分层次纳米结构的石墨烯基多孔碳—硫(GPC-S)薄膜。三维石墨烯网络促进电子和锂离子传输，与此同时石墨烯表面的微孔碳提供了大量的微孔孔道，其不仅可以容纳硫而且能够抑制多聚硫化合物的溶解。因而，所得到的GPC-S膜不仅表现出良好的机械柔韧性，而且在容量释放和容量衰减方面也展示出优异的电化学性能。