石墨烯在锂离子电池中的应用
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物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯在锂离子电池中的应用
学生姓名 贾凯洋 指导教师 杨贵进
西北师范大学物理与电子工程学院
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
目录
选题背景 石墨烯的制备和性质 石墨烯在锂离子电池中的应用 石墨烯在锂离子电池中应用的总结及前景
展望
2020/5/15
-
直径170~180 0.5
改 进 的 Hummers 法 宽度约100 17．8
/NaBH4 声波降解法+热膨胀 -
3．89
改进的Hummers法/超 200~800 2020/456/15
声分离
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯在锂离子电池中应用的总结
缺 首次库仑效率低 陷 充放电平台较高
图10. 锰氧化物/石墨烯复合电极的循环 图12图锰11氧锰化伏氧物安化/曲石物线墨/石[烯3]墨复烯合复电合极电循极环前性3能次和充倍放率电性曲能线曲[3] 线[3]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
[3] 高云雷,赵东林沈,曾民．锰氧化物/石墨烯复合材料作为锂离子 电池负极的研究．功能材料,2012,11(43): 1446-1448．
4. 外延生长法
通过加热 6H-SiC 晶体，在（001）单晶面上生长出石墨烯片层。
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的性质
力 ➢ 理论比表面积高达2600m2/g VS 活性炭800～1000m2/g 学 ➢ 实测弹性模量为1060GPa
热 ➢ 导热系数高达5300 W/（m·K） VS 铜400W/mK 学 ➢ 良好的结晶性
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
• 选题背景
一次电池含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰及废酸、废碱 等许多有害物质，严重污染环境
1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池，已广泛应应用于 各式电子设备中
现阶段发展混合动力汽车或纯电动汽车用动力电池以及清洁能源存 储用储能电池，对锂离子电池提出了更高的要求。
6
合肼
微 波 辅 助 水 热 改进的Hummers法/水 10~40
27
法
合肼
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
微乳液法+球磨 改进的Hummers法/超 70~110
10
声分离
Li[Co0.1Ni0.15Li0.2Mn0.55]O2 固相法
V2O5•nH2O
水热法
V2O5纳米线 V2O5微球
水热法 溶剂热法
石墨烯做锂离子电池负极材料的问题
✓ 制备过程石墨烯片层极易堆积 ✓ 石墨烯首次充放电库伦效率低 ✓ 石墨烯循环性能差 ✓ 石墨烯的其他问题
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯/锰氧化物复合材料
MnOX+2xLi++2xe- Mn+xLi2O 2C+Li++e- LiC2
不能替代传统石墨 作为负极材料使用
提供更多的活性位
很高的电导率
非常适合
优 势
良好的机械强度、柔韧性、化学稳定性、
作为复合 电极材料
很高 的比表面积
的基底
化学转化的石墨烯具有较大比例的官能团
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
致谢
特别感谢西北师大物电学院每一位老师在
我大学四年里给我的帮助与教导
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料
图8 天然石墨图(a图)6、图7氮石氮9 掺氮墨掺杂掺烯杂石杂(石b墨石)墨和烯墨烯氮的烯电掺S电极杂E极M前石图倍3墨次(率a烯)充和性(c放T)能电E电M极曲图循线(b环) 性能曲线 2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
➢ 电子迁移率超过15000cm2/（V·s）VS 硅1400cm2/（V·s ）
➢ 半整数的量子霍尔效应
电 学
➢ 永不消失的电导率
➢ 电阻率约10-6 Ω·cm
光 学
➢ 透光率高达98%
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能
图图图43.5天天.天然然然石石石墨墨墨((aa())a和和)和石石石墨墨墨烯烯烯((bb()b)电电)电极极极循前的环3循次伏环充安性放曲能电线曲线 2020/5/15
2. 氧化石墨还原法
将天然鳞片石墨用无极强氧化性酸处理后，再以强氧化剂如KMnO4、 KClO4 等对其氧化，将得到的氧化石墨在溶液中超声剥离，即可形成稳定 的石墨烯氧化物的分散液，然后将其还原即可制得石墨烯。
3. 化学气象沉积法
将基底置于可分解的碳源气体中，在 N2 或 Ar/H2 保护下，通过高温 退火使碳原子沉积在基底上形成石墨烯，再通过化学腐蚀移除基底就得 到石墨烯。
寻找新型电极材料是解决目前所遇到的问题的基本途径之一
石墨烯因其优异的性能在锂离子电池电极材料的选择中被广 泛关注
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池工作原理
图1 锂离子电池工作原理示意图
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池的应用
电压高、能量密度 大、循环性能好、 自放电小、无记忆
效应
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的制备和性质
图2 电子显微镜下观测的石墨烯片（a）；石墨烯结构示意图（b） 2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的制备
1. 微机械剥离法
利用氧等离子束对高取向热解石墨表面进行刻蚀，然后将其压在氧 化硅/硅衬底上，用透明胶带反复胶粘撕裂剥离，将衬底用丙酮超声，就 得到了单层的石墨烯。
2020/5/15
物理与电子工程表学院1.石本科墨生烯毕改业性论正文答极辩材料的简要制备方法
正极材料石墨烯在锂复离合子方法电池正氧还原化极剂石墨材制料备方中法及的应粒用/n径m
石墨烯 含量/%
LiFePO4
共沉淀法+热处 改进的Hummers法/水 约100
1.5
理
合肼
水热法+热处理 改进的Hummers法/H2 -
8
喷雾干燥+热处 改进的Hummers法/热 2~5μm
9
理
还原
Li3V2(PO4)3
溶胶-凝胶法 改进的Hummers法/抗 280
1.14
坏血酸
LiMn1-xFexPO4
水解+溶剂热法 改进的Hummers法/抗 长50~100； 约20
坏血酸
直径20~30
LiMn2O4
自组装
改进的Hummers法/水 约7
石墨烯在锂离子电池中的应用
学生姓名 贾凯洋 指导教师 杨贵进
西北师范大学物理与电子工程学院
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
目录
选题背景 石墨烯的制备和性质 石墨烯在锂离子电池中的应用 石墨烯在锂离子电池中应用的总结及前景
展望
2020/5/15
-
直径170~180 0.5
改 进 的 Hummers 法 宽度约100 17．8
/NaBH4 声波降解法+热膨胀 -
3．89
改进的Hummers法/超 200~800 2020/456/15
声分离
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯在锂离子电池中应用的总结
缺 首次库仑效率低 陷 充放电平台较高
图10. 锰氧化物/石墨烯复合电极的循环 图12图锰11氧锰化伏氧物安化/曲石物线墨/石[烯3]墨复烯合复电合极电循极环前性3能次和充倍放率电性曲能线曲[3] 线[3]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
[3] 高云雷,赵东林沈,曾民．锰氧化物/石墨烯复合材料作为锂离子 电池负极的研究．功能材料,2012,11(43): 1446-1448．
4. 外延生长法
通过加热 6H-SiC 晶体，在（001）单晶面上生长出石墨烯片层。
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的性质
力 ➢ 理论比表面积高达2600m2/g VS 活性炭800～1000m2/g 学 ➢ 实测弹性模量为1060GPa
热 ➢ 导热系数高达5300 W/（m·K） VS 铜400W/mK 学 ➢ 良好的结晶性
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
• 选题背景
一次电池含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰及废酸、废碱 等许多有害物质，严重污染环境
1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池，已广泛应应用于 各式电子设备中
现阶段发展混合动力汽车或纯电动汽车用动力电池以及清洁能源存 储用储能电池，对锂离子电池提出了更高的要求。
6
合肼
微 波 辅 助 水 热 改进的Hummers法/水 10~40
27
法
合肼
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
微乳液法+球磨 改进的Hummers法/超 70~110
10
声分离
Li[Co0.1Ni0.15Li0.2Mn0.55]O2 固相法
V2O5•nH2O
水热法
V2O5纳米线 V2O5微球
水热法 溶剂热法
石墨烯做锂离子电池负极材料的问题
✓ 制备过程石墨烯片层极易堆积 ✓ 石墨烯首次充放电库伦效率低 ✓ 石墨烯循环性能差 ✓ 石墨烯的其他问题
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯/锰氧化物复合材料
MnOX+2xLi++2xe- Mn+xLi2O 2C+Li++e- LiC2
不能替代传统石墨 作为负极材料使用
提供更多的活性位
很高的电导率
非常适合
优 势
良好的机械强度、柔韧性、化学稳定性、
作为复合 电极材料
很高 的比表面积
的基底
化学转化的石墨烯具有较大比例的官能团
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
致谢
特别感谢西北师大物电学院每一位老师在
我大学四年里给我的帮助与教导
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
氮掺杂石墨烯作为锂离子电池负极材料
图8 天然石墨图(a图)6、图7氮石氮9 掺氮墨掺杂掺烯杂石杂(石b墨石)墨和烯墨烯氮的烯电掺S电极杂E极M前石图倍3墨次(率a烯)充和性(c放T)能电E电M极曲图循线(b环) 性能曲线 2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
➢ 电子迁移率超过15000cm2/（V·s）VS 硅1400cm2/（V·s ）
➢ 半整数的量子霍尔效应
电 学
➢ 永不消失的电导率
➢ 电阻率约10-6 Ω·cm
光 学
➢ 透光率高达98%
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯作为锂离子电池负极材料的电化学性能
图图图43.5天天.天然然然石石石墨墨墨((aa())a和和)和石石石墨墨墨烯烯烯((bb()b)电电)电极极极循前的环3循次伏环充安性放曲能电线曲线 2020/5/15
2. 氧化石墨还原法
将天然鳞片石墨用无极强氧化性酸处理后，再以强氧化剂如KMnO4、 KClO4 等对其氧化，将得到的氧化石墨在溶液中超声剥离，即可形成稳定 的石墨烯氧化物的分散液，然后将其还原即可制得石墨烯。
3. 化学气象沉积法
将基底置于可分解的碳源气体中，在 N2 或 Ar/H2 保护下，通过高温 退火使碳原子沉积在基底上形成石墨烯，再通过化学腐蚀移除基底就得 到石墨烯。
寻找新型电极材料是解决目前所遇到的问题的基本途径之一
石墨烯因其优异的性能在锂离子电池电极材料的选择中被广 泛关注
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池工作原理
图1 锂离子电池工作原理示意图
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池的应用
电压高、能量密度 大、循环性能好、 自放电小、无记忆
效应
2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的制备和性质
图2 电子显微镜下观测的石墨烯片（a）；石墨烯结构示意图（b） 2020/5/15
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯的制备
1. 微机械剥离法
利用氧等离子束对高取向热解石墨表面进行刻蚀，然后将其压在氧 化硅/硅衬底上，用透明胶带反复胶粘撕裂剥离，将衬底用丙酮超声，就 得到了单层的石墨烯。
2020/5/15
物理与电子工程表学院1.石本科墨生烯毕改业性论正文答极辩材料的简要制备方法
正极材料石墨烯在锂复离合子方法电池正氧还原化极剂石墨材制料备方中法及的应粒用/n径m
石墨烯 含量/%
LiFePO4
共沉淀法+热处 改进的Hummers法/水 约100
1.5
理
合肼
水热法+热处理 改进的Hummers法/H2 -
8
喷雾干燥+热处 改进的Hummers法/热 2~5μm
9
理
还原
Li3V2(PO4)3
溶胶-凝胶法 改进的Hummers法/抗 280
1.14
坏血酸
LiMn1-xFexPO4
水解+溶剂热法 改进的Hummers法/抗 长50~100； 约20
坏血酸
直径20~30
LiMn2O4
自组装
改进的Hummers法/水 约7