3 石墨烯材料及其锂离子电池中的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,石墨烯膜材料在锂离子电池电极中的应用,-,应用,1,负极,二次电池分类,锂离子电池,镍氢电池,镍镉电池,铅酸电池,镍锌电池,正极体系,锂过渡金属氧化物,氢氧化亚镍,氢氧化亚镍,二氧化铅,氢氧化亚镍,负极体系,石墨等层状物蜘,储氢合金,氧化镉,海绵铅,氧化锌,隔膜体系,PP/PEPP,、或,PE,PP,尼龙,玻璃纤维棉,玻,电解液体系,有机锂盐电解液,KOH,水溶液,KOH,水溶液,稀硫酸,KOH,水溶液,标称电压,3.0V-3.7V,1.2V,1.2V,2.0V,1.6V,体积能量密度,350-400wh/l,320-350wh/l,160-180wh/l,65-80wh/l,170Wh/l,重量能量密度,180-200wh/kg,60-65wh/kg,40-45wh/kg,25-30wh/kg,55-60wh/kg,电池原理,离子迁移,氧化还原,氧化还原,氧化还原,氧化还原,充放电方法,恒流恒压充电,恒流充电,恒流充电,恒流充电,恒流充电,充电终点控制,恒流,/,限压,-,V/,恒流限时,-,V/,恒流限时,限流稳压,-,V/,恒流限时,安全性,有一定隐患,安全,安全,安全,安全,环保,环保,环保,镉污染,铅污染,环保,最佳工作温度,0,-45 ,-20,-45 ,-20,-60 ,-40,-70 ,-20,-60 ,价格,(,元,/Wh),2.2-2.8/Wh,3.5-4.0/Wh,2.2-2.8/wh,0.7-1.0/Wh,3.0-3.5/Wh,充电器成本,高,(,恒流恒压,),一般,(-,V,或,T,控制,恒流源,),一般,(-,V,或,T,控制,恒流源,),低,(,稳压源,),一般,(-,V,或,T,控制,恒流源,),二次电池分类,锂离子电池,镍氢电池,镍镉电池,铅酸电池,镍锌电池,发动机起动电源,基本没有,基本没有,袋式电池,铁路及军工应用,广泛应用于汽车,船舶等起动,基本没有,通讯等备用电源,基本没有,基本没有,少量,/,基本没有,广泛应用,基本没有,不间断电源,(UPS),基本没有,基本没有,少量,/,基本没有,广泛应用,基本没有,电动自行车,/,摩托车,少量,/,基本没有,基本没有,少量,/,基本没有,广泛应用,少量,/,基本没有,电动玩具,少量,大量,大量应用,少量,/,基本没有,基本没有,电动工具,少量,/,基本没有,少量,/,基本没有,广泛应用,基本没有,基本没有,数码产品,(MP3,数码相机,DVD,等,),大量应用,大量应用,/,逐步被取代,已被取代,基本没有,基本没有,手机,大量应用,已基本被锂电取代,基本没有,基本没有,基本没有,笔计本电脑,大量应用,已基本被锂电取代,基本没有,基本没有,基本没有,一、研究背景,1.1,锂离子电池的发明,在上世纪,干电池及可充电电池在生产、生活、战争、科研活动中都发挥了重要作用。但是废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰及废酸、废碱等，严重,污染自然环境,，其中镉、铅、汞是对人体危害较大的物质。著名的日本,水俣病,和,骨痛病,就分别为汞中毒和镉离子中毒。,1991,年,索尼公司,发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。今天，锂离子电池成为了便携电子器件的主要电源。锂电池对环境的影响很小，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。,1.2,锂离子电池的工作原理,锂离子电池组成：,正极、负极、隔膜,、线路和外壳,正负极材料：可供锂离子嵌入和脱出，电极电位正极负极,隔膜：通,Li,+,，,阻电子,充电：,Li,+,：正极负极，,e,：负极正极,放电：,Li,+,：负极正极，,e,：正极负极,图1 锂离子电池工作原理示意图,1.3,锂离子电池的行业与研究现状,具有,电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应,等突出优点 成为目前综合性能最好的电池体系 并取得了飞速发展。,目前其应用已经渗透到包括,移动电话、笔记本电脑、摄像机、数码相机,、等众多民用及军用领域，另外，国内外也在竞相开发,电动汽车、航天和储能,等方面所需的大容量锂离子二次电池。,锂离子电池电动汽车的发展也将稳步向前，进而带动锂离子电池材料的稳步发展。,根据经济学家预测：,新能源汽车领域锂离子,电池需求量,将由,2009,年的,0.25GWh,爆发式增长至,2015,年的,35.73GWh,。,新能源汽车,领域锂离子电池占整个锂离子电池领域也由,2009,年的,1.88%,快速跃升至,2015,年的,58.74%,。,从,2015,年开始，,电动汽车市场,将快速增长，到,2020,年电动汽车将占整个轿车产量的,15-20%,，电动车用电池市场将达到,400,亿美元。,从大体上看看目前锂离子电池遇到的问题：,制造成本高,循环使用寿命低,比容量低于一次电池、镍氢电池等,负极材料容量远高于正极,回收难度大,图,2,锂离子电池的成本组成,从电极材料上看锂电池遇到的问题,正极材料,当前市场常见的正极材料包括,钴酸锂、锰酸锂、三元材料,(,镍钴锰酸锂,),和磷酸铁锂,。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料。,主导整个可充电锂电池市场的正极材料,LiCoO,2,。,优点：,工作电压高；充放电电压平稳；比能量高（,274 mAhg,-1,）；循环性能好。,缺点：,Co,是战略性稀缺材料，价格昂贵；,抗过充电性能较差,，存在安全隐患；使用寿命有限，,500,次。,结论：无法满足大规模应用，难以成为理想的动力电池材料。,LiCoO,2,的替代品,Li,3,V,2,(PO,4,),3,和,LiFePO,4,。,优点：,材料成本低，电容量大，使用寿命长达,2000,次以上。,缺点：,生产成本高，工艺不成熟,，更重要的是内电阻大，无法适应大密度电流放电，难以应用于大功率的动力电池。,负极材料,主导锂离子电池市场的负极材料,石墨,优点：,价格低廉，来源广泛。,缺点：,电容量小，理论仅为,372mAh/g,，循环使用衰减大，压实密度低。,未来可能应用的负极材料,非碳基负极材料，例如过渡金属氧化物、硅基材料和合金材料。,优点：,电容量远超于石墨。,缺点：,存在一个致命的体积膨胀效应，循环性能较差。,表,1,几种负极材料的理论比容量,正极材料,理论容量,正极材料,理论容量,石墨,372mAh/g,Cu,6,Sn,5,608mAh/g,Si,4200mAh/g,Sn,992mAh/g,SiB,3,922mAh/g,SnO,2,500mAh/g,Fe,2,Al,5,543mAh/g,Fe,2,O,3,924mAh/g,为什么选择石墨烯？,可以直接作为锂离子电池的负极，,制备柔性锂离子电池,可以用作修饰,提高负极的电容量,可以提高电极电导率同时作为电流收集物质,。,可以降低,Si,基及金属氧化物负极材料的体积膨胀效应，,提高使用寿命。,可以,缩短锂离子电池的充电时间和增加锂离子电池的功率密度。,1.4,石墨烯在锂离子负极的应用,石墨烯直接作为锂离子电池负极,石墨烯,/Si,（,Ge,、,Sn,、,Ni,）复合材料作为锂离子电池负极,石墨烯,/,金属氧化物（如，,Fe,2,O,3,、,Fe,3,O,4,、,TiO,2,、,CuO,、,CeO,2,、,SnO,2,、,Mn,3,O,4,、,MoO,、,NiO,、,V,2,O,5,、,Co,3,O,4,等）,复合材料作为锂离子电池负极,石墨烯与,金属硫化物（如，,In,2,S,3,、,MoS,等）复合作为锂离子电池负极,1.5,、石墨烯在锂离子正极的应用,石墨烯与多种正极材料复合的方法与工艺,石墨烯与磷酸铁锂复合的性能,石墨烯与磷酸钒锂复合的性能,1.6,、石墨烯在锂离子电池中应用的问题及展望,石墨烯做为一种性能优异的活性材料大规模应用在锂离子电池上是时间问题。,石墨烯应用于锂离子电池的关键问题在于,如何降低石墨烯的成本,。,通过研究石墨,烯与电极材料复合工艺,，提高,复合的,均匀性、吸附性和有效地调控石墨烯的组装与排列使其形成良好的电子与离子传输,通道是石墨烯是否能应用于锂离子电池的关键问题之二,。,尚未解决的,理论问题,是石墨烯与电解液及电极材料的相互作用问题。,本课题组，目前是主要针对问题,2,与,3,开展，其中问题,2,在前面已经讨论，这里主要讨论如何,调控,石墨烯的组装与,排列（,即,：防止石墨烯叠加，且与集流体,垂直）,，,其形成良好的电子与离子传输通道,，,实现功能与寿命多目标的统一。,(1),在,石墨烯表面负载氧化铁或氧化铜，不仅可以防止石墨烯叠加，还可以,增加电容,量,。,(2),在光栅结构的铝片中沉积石墨烯复合粒子,，,可,实现石墨烯与集流体垂直。,2,、实验设计与过程,2.1,石墨烯复合粒子的制备,(1),石墨烯,/Fe,3,O,4,的制备,将一定量的,50ml,石墨烯水溶液、,0.5g,FeSO,4,7H,2,O,和,0.125gFeCl,3,6H,2,O,加入到三,口瓶中，置于恒温水浴锅中，搅拌,1h,后，将一定浓度的,NaOH,溶液,(0.1g/5ml),缓慢滴加到烧瓶中。滴加完毕后，,40,度,继续反应,1h,。反应停止后，待反应液冷却至室温，离心分离，用蒸馏水反复洗涤直至,pH=7.0,，移去上层清液，在,60,下真空干燥,24h,。,(2),石墨烯,/CuO,的制备,将一定量的,50ml,石墨烯水溶液、,0.5g,FeSO,4,7H,2,O,和,0.125gFeCl,3,6H,2,O,加入到三,口瓶中，置于恒温水浴锅中，搅拌,1h,后，将一定浓度的,NaOH,溶液,(0.1g/5ml),缓慢滴加到烧瓶中。滴加完毕后，,40,度,继续反应,1h,。反应停止后，待反应液冷却至室温，离心分离，用蒸馏水反复洗涤直至,pH=7.0,，移去上层清液，在,60,下真空干燥,24h,。,2.2,基于石墨烯锂离子电池负极的制备,(1),传统方法,将复合粒子、,PVDF,和有机溶剂混合，而后在金属集流体上涂膜。,问题是：,导电率降低、粒子分散不均、且石墨烯基本与集流体平行，导致电极制备工艺复杂、性能提高不明显、性能不稳定。,(2),电沉积法制备,导电性能稳定、可垂直于金属集流体，且工艺简单、可批量制备。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，在电压,5V,，距离,1.5,厘米，常温下电沉积,60-90,秒即可,图,3,3,、实验结果与讨论,3.1 G/Fe,3,O,4,复合粒子的制备,图,4. Fe,2+,:Fe,3+,不同摩尔比制备的,G/Fe,3,O,4,复合粒子，反应温度为,40,度,7.7:1,2.5:1,4.0:1,5.5:1,图,5.,不同反应温度制备的,G/Fe,3,O,4,复合粒子，摩尔比为,4:1,50,度,40,度,由图,4,与,5,可知，初步判断摩尔比为,2.5:1,，反应温度,40,度，磁性能最好。摩尔比超过,5.5:1,及反应温度超过,40,度，无法得到,G/Fe,3,O,4,复合粒子。,2.0:1,无论是,GO/Fe,3,O,4,和,G/Fe,3,O,4,复合粒子干燥后具有良好的导电率。,图,6. (A)G/PVP,和,(B)G/Fe,3,O,4,复合粒子的,SEM,电镜图，摩尔比,4:1,，反应温度,40,度。,由图,6,可知，石墨烯表面负载了很多针状的,Fe,3,O,4,，尺寸长度约,800,纳米，宽约,50,纳米左右。相对传统方法及文献报道，,(1),负载率比较高，基本上没有自由存在的,Fe,3,O,4,，,(2),负载的粒子为有规则形貌的，且首次报道针状结构。这些特点将为其提高锂离子电池电极性能提供可能性。,3.2 G/Cu,（,CuO,）复合粒子的制备,由图,7,可知，石墨烯,/Cu,离子复合粒子经过还原后，溶液沉淀下来，且有原来的黑色变成金属铜色，初步确定,G/Cu,复合粒子制备得到，后续需要对其结构与性能详细分析，并对其作为锂离子电池电极性能进行评价。,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率。,3.3,电沉积石墨烯或其复合粒子,图,9.,锯齿结构锌片,/G,复合膜的光学照片,图,8.,锌片,/G,复合膜的光学照片,有图,8,可知，可从氧化石墨烯溶液出发，很容易沉积得到锌片,/G,复合膜，且导电率很好，可作为锂离子电池电极用 。,有图,9,可知，可通过优化设计金属结构与电沉积工艺，得到垂直于金属片的石墨烯膜，为提高基于石墨烯的锂离子电池电极提供新思路。,图,10.,锌片,/G/Fe,3,O,4,复合膜的光学照片,有图,10,可知，可通过电沉积工艺制备得到,G/Fe,3,O,4,复合膜，相对传统方法，导电率更好，制备工艺更简单，适合产业化。且为提高基于石墨烯的锂离子电池电极提供可能性。,4,、小结与创新点,(1),采用吸附,/,原位方法制备得到石墨烯,/,金属（或氧化物）复合粒子，其中金属氧化物粒子形貌可控，,有望更好的吸附锂离子及防止石墨烯片叠加,，且制备工艺简单，适合产业化。,(2),可直接在金属片（锂离子电池电极集流体上）电沉积石墨烯或其复合粒子电极，简化锂离子电池电极工艺（一般先制备石墨烯，而后与,PVDF,高分子混合后在金属铝片上涂膜），工艺简单，且不需要导电性能差的,PVDF,作为基底，,电极导电性能大幅提高,，有利于电极性能优化。,(3),设计好集流体（金属片）结构（如光栅结钩），可采用电沉积方法制备，实现石墨烯片与集流体垂直，,增加锂离子在石墨烯内部运输速度,，为提高锂离子电池充放电速度提供可能性。,(4),采用该方法得到的石墨烯表面羧基、胺基基团减少，有利于提高锂离子在石墨烯内可逆传输，,解决石墨烯材料作为锂离子电极存在可逆比容量低问题,，为提高锂离子电池充放电比容量提供可能性。,6,、下一步研究,(1),将石墨烯,/Fe,3,O,4,复合粒子结构与性能表征清楚，并以此为电极研究锂离子电池性能,(2),系统研究石墨烯,/CuO,复合粒子制备工艺，分析其对结构与性能影响，并以此为电极研究锂离子电池性能。,(3),系统研究电化学沉积法制备高性能石墨烯膜制备工艺，分析其对结构与性能影响，并以此为电极研究锂离子电池性能。,7,、成果,(1),申请中国发明专利,1,项,锂离子电池用石墨烯,/,金属复合负极材料及其制备方法，申请号：,201310102574.5,(2),可撰写高水平学术论文,2,篇,补充石墨烯材料结构表征及锂离子电池性能测试，至少可写两篇文章（,IF4),。,