碳纳米管与石墨烯协同改性天然石墨及其电化学性能_邓凌峰
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+ / 的扩散 路 径 。 在 电 流 密 度 为 9 首次充 L i 0 mA g 时, / / 。H 放电比容量为 1 3 7 1 mA h 1 2 mA h u a n g g和9 g 1 7] 等[ 合成 “ 三 明 治” 结 构 的 石 墨 烯/碳 纳 米 管/硅 复 合
结构和优异的电学 、 热学和力学性能 , 是复合材料理想 的功 能 增 强 材 料 , 在 超 级 电 容、 传 感 器、 锂电池等 [ ] 9-1 2 。碳纳米管和石墨烯表面具 领域受到 广 泛 关 注
: / / A b s t r a c t T h e C NT s r GO NG c o m o s i t e l i t h i u m i o n b a t t e r a n o d e m a t e r i a l w a s s n t h e s i z e d b t h e r - p y y y , ) m a l r e d u c i n u s i n r a h e n e o x i d e( GO) a n d c a r b o n n a n o t u b e s( C NT s a s r e c u r s o r s f o r a 5 ∶ 3p r o - g g g p p , , o r t i o n . T h e e r f o r m a n c e m o r h o l o s t r u c t u r e a n d e l e c t r o c h e m i c a l o f t h e c o m o s i t e w e r e c h a r a c - p p p g y p ( , ( , t e r i z e d b s c a n n i n e l e c t r o n m i c r o s c o S EM) X r a d i f f r a c t o m e t r X R D) F o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a - - y g p y y y r e d s e c t r a( F T I R) a n d e l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n t s . T h e r e s u l t s s h o w t h a t r e d u c e d o x i d e r a h e n e p g p a n d c a r b o n n a n o t u b e s f o r m a e r f e c t t h r e e d i m e n s i o n a l n e t w o r k s t r u c t u r e o n t h e s u r f a c e o f n a t u r a l - p / / , r a h i t e . C NT sr GO NG c o m o s i t e h a s r a t e a n d c c l e l i f ec o m a r e d w i t h o o d e r f o r m a n c e u r e g p p y p g p p / i n i t i a l d i s c h a r e c a a c i t o f d e s i n e d a n o d e i s 4 7 9 mA h a t 0. 1 C, t h e r e v e r s i b l e n a t u r a l r a h i t e . T h e g p y g g p g / , / , c a a c i t u t o 4 7 3 mA hg a f t e r 1 0 0c c l e st h e c a a c i t i s s t i l l 4 3 9. 5 mA hg t h e c a a c i t r e t e n t i o n r a t e p y p y p y p y / i s 9 2% , a n d t h e c a a c i t i s 4 5 7, 4 3 3, 3 9 4 mA h a t 0. 5, 1, 5 C, r e s e c t i v e l . p y p y g : ; ; ; ; r a h e n e e r f o r m a n c e K e w o r d s c a r b o n n a n o t u b e s o x i d e a n o d e m a t e r i a l e l e c t r o c h e m i c a l 3 Dn e t w o r k g p p y s t r u c t u r e
[ 1 8]
和高温还原法制备碳纳米管/石墨烯/天然石墨复合材 料, 复合材料的具体制备工艺流程如图 1 所示 。
直接利
用氧化石墨烯制备氧化石墨烯/石墨/碳纳米管锂离子 在 0. 电池复合负极 材 料 , 5 C 时首次充放电比容量为 / / , 首次库伦效率为 1 9 4 2. 6 mA h 1 5 3. 7 mA h g和1 g 比 容 量 较 高, 循环性能和倍率性能都较好, 但 5 9 . 4% , 碳纳 米 管 和 氧 化 石 墨 烯 的 质 量 比 较 大 ( 氧化石墨 , 烯 ∶ 石墨 ∶ 碳纳米管 ∶ 超 导 电 碳 =1 5∶6 0∶2 0∶5) 增大了复合材料的成本 。 本工作通 过 超 声 分 散 和 高 温 还 原 法 获 得 碳 纳 米 / / 管/石墨烯/天然石墨 ( 复合材料 。 复 C NT s r GO NG) 合材料 中 石 墨 烯 ∶ 碳 纳 米 管 ∶ 天 然 石 墨 的 质 量 比 为 3∶5∶9 2。 石墨烯和碳纳米管在天然石墨表面形成一 层三维立体导电网络 结 构 , 克服天然石墨在充放电过 程中 易 剥 落 和 体 积 膨 胀 等 缺 陷 。 通 过 S EM, X R D, 结构和电化学进行 F T I R 等技术对 复 合 材 料 的 形 貌 、 了表征 。 发 现 复 合 材 料 的 导 电 性 和 电 极 材 料 的 比 容 量、 循环寿命 、 倍率性能皆得到提高 。
。V i n a a n等 y
[ 1 6]
通过碳纳米管和石
墨烯两者间的 静 电 相 互 作 用 合 成 石 墨 烯 -碳 纳 米 管 混
1 2 2
材料工程
2 0 1 7年4月
的锂离子电池负极材料 , 在充放电过程中易发生剥离 , 不可逆容量大 , 容量提高受到限制 , 阻碍了天然石墨的 进一步应用 。 为了突破这个瓶颈 , Z h a n g等
N o . 4
碳纳米管与石墨烯协同改性 天然石墨及其电化学性能
C o m b i n a t i o n C a r b o n N a n o t u b e s w i t h G r a h e n e M o d i f i e d N a t u r a l G r a h i t e p p a n d I t s E l e c t r o c h e m i c a l P e r f o r m a n c e
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第4 5卷 2 0 1 7年4月
第4期 第1 2 1-1 2 7页
材 料 工 程
J o u r n a l o f M a t e r i a l s E n i n e e r i n g g
V o l . 4 5
. 1 2 1-1 2 7 A r . 2 0 1 7 p p p
邓凌峰 , 彭辉艳 , 覃昱焜 , 吴义强 ( ) 中南林业科技大学 材料科学与工程学院 , 长沙 4 1 0 0 0 4 , , a n, i a n D E NG L i n f e n P E NG H u i Q I N Y u k u n WU Y i - -y - -q g g g ( , S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n i n e e r i n C e n t r a l S o u t h g g , ) U n i v e r s i t o f F o r e s t r a n d T e c h n o l o C h a n s h a 4 1 0 0 0 4, C h i n a y y g y g
/ 摘要 :以碳纳米管和氧化石墨烯为原料 , 二者按 5 ∶ 3 混合超声分散 再 高 温 还 原 制 备 碳 纳 米 管/石 墨 烯/天 然 石 墨 ( C N T s / 、 、 锂离子复合负极材料 。 采用扫描电镜 ( 红外 光 谱 ( 和电化学测试等分析技术 r G O NG) S EM) X 射线衍射 ( X R D) F T I R) 结构 、 电化学进行表征 。 结果表明 : 石墨 烯 和 碳 纳 米 管 在 天 然 石 墨 表 面 形 成 三 维 立 体 网 络 结 构 。 与 对复合材料的形貌 、 / / / , 纯天然石墨相比 , 在 0. C N T s r G O NG 复合材料具有良好的倍率性能和循环寿命 , 1 C时首次放电比容量为4 7 9 mA h g / , / , 可逆容量达 4 循环 1 容量保 持 率 为 9 在 0. 7 3 mA h 0 0 次后容量为 4 3 9. 5 mA h 2% , 5, 1, 5 C不同电流倍率时容量依 g g / 。 次为 4 5 7, 4 3 3, 3 9 4 mA h g 关键词 :碳纳米管 ; 氧化石墨烯 ; 负极材料 ; 电化学性能 ; 三维网络结构 : / d o i 1 0. 1 1 8 6 8 . i s s n . 1 0 0 1 4 3 8 1. 2 0 1 6. 0 0 1 0 4 4 - j ( ) 中图分类号 : TM 9 1 2 文献标识码 :A 文章编号 : 1 0 0 1 4 3 8 1 2 0 1 7 0 4 0 1 2 1 0 7 - - -
[ 1] , 、 石墨 C a r b o n N a n o t u b e s C NT s) 碳 纳 米 管 ( [ 2] ) 烯 ( 等 低 维 碳 纳 米 材 料 具 有 独 特 的 几何 G r a h e n e p
合纳米结构材料做锂 离 子 电 池 负 极 材 料 , 具有较高的 比容量和循环稳定性能 。 石墨烯和碳纳米管间的静电 作用阻止了 其 堆 积 和 团 聚 , 增 加 了 比 表 面 积, 减短了
/ / 图 1 C NT s r G O NG 复合材料制备工艺图 / / F i . 1 P r o c e s s f l o w c h a r t o f C NT s r G O NG c o m o s i t e s g p
[ ] 3-8
有较高的表面能和范德华力 , 容易团聚和堆积 , 利用这 种特性把两者复合将 缺 陷 变 优 势 , 在电极材料方面已 有相关研 究
[ ] 1 3-1 5
负极材料 , 在高低温度下都具有良好的电化学性能 , 首 / 次库伦效率高达 8 电流密度为4 2% , 2 0 mA 0 g循环6 / 。 目前天然石墨是商业化 次后容量仍保持 8 0 8 mA h g
结构和优异的电学 、 热学和力学性能 , 是复合材料理想 的功 能 增 强 材 料 , 在 超 级 电 容、 传 感 器、 锂电池等 [ ] 9-1 2 。碳纳米管和石墨烯表面具 领域受到 广 泛 关 注
: / / A b s t r a c t T h e C NT s r GO NG c o m o s i t e l i t h i u m i o n b a t t e r a n o d e m a t e r i a l w a s s n t h e s i z e d b t h e r - p y y y , ) m a l r e d u c i n u s i n r a h e n e o x i d e( GO) a n d c a r b o n n a n o t u b e s( C NT s a s r e c u r s o r s f o r a 5 ∶ 3p r o - g g g p p , , o r t i o n . T h e e r f o r m a n c e m o r h o l o s t r u c t u r e a n d e l e c t r o c h e m i c a l o f t h e c o m o s i t e w e r e c h a r a c - p p p g y p ( , ( , t e r i z e d b s c a n n i n e l e c t r o n m i c r o s c o S EM) X r a d i f f r a c t o m e t r X R D) F o u r i e r t r a n s f o r m i n f r a - - y g p y y y r e d s e c t r a( F T I R) a n d e l e c t r o c h e m i c a l m e a s u r e m e n t s . T h e r e s u l t s s h o w t h a t r e d u c e d o x i d e r a h e n e p g p a n d c a r b o n n a n o t u b e s f o r m a e r f e c t t h r e e d i m e n s i o n a l n e t w o r k s t r u c t u r e o n t h e s u r f a c e o f n a t u r a l - p / / , r a h i t e . C NT sr GO NG c o m o s i t e h a s r a t e a n d c c l e l i f ec o m a r e d w i t h o o d e r f o r m a n c e u r e g p p y p g p p / i n i t i a l d i s c h a r e c a a c i t o f d e s i n e d a n o d e i s 4 7 9 mA h a t 0. 1 C, t h e r e v e r s i b l e n a t u r a l r a h i t e . T h e g p y g g p g / , / , c a a c i t u t o 4 7 3 mA hg a f t e r 1 0 0c c l e st h e c a a c i t i s s t i l l 4 3 9. 5 mA hg t h e c a a c i t r e t e n t i o n r a t e p y p y p y p y / i s 9 2% , a n d t h e c a a c i t i s 4 5 7, 4 3 3, 3 9 4 mA h a t 0. 5, 1, 5 C, r e s e c t i v e l . p y p y g : ; ; ; ; r a h e n e e r f o r m a n c e K e w o r d s c a r b o n n a n o t u b e s o x i d e a n o d e m a t e r i a l e l e c t r o c h e m i c a l 3 Dn e t w o r k g p p y s t r u c t u r e
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和高温还原法制备碳纳米管/石墨烯/天然石墨复合材 料, 复合材料的具体制备工艺流程如图 1 所示 。
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用氧化石墨烯制备氧化石墨烯/石墨/碳纳米管锂离子 在 0. 电池复合负极 材 料 , 5 C 时首次充放电比容量为 / / , 首次库伦效率为 1 9 4 2. 6 mA h 1 5 3. 7 mA h g和1 g 比 容 量 较 高, 循环性能和倍率性能都较好, 但 5 9 . 4% , 碳纳 米 管 和 氧 化 石 墨 烯 的 质 量 比 较 大 ( 氧化石墨 , 烯 ∶ 石墨 ∶ 碳纳米管 ∶ 超 导 电 碳 =1 5∶6 0∶2 0∶5) 增大了复合材料的成本 。 本工作通 过 超 声 分 散 和 高 温 还 原 法 获 得 碳 纳 米 / / 管/石墨烯/天然石墨 ( 复合材料 。 复 C NT s r GO NG) 合材料 中 石 墨 烯 ∶ 碳 纳 米 管 ∶ 天 然 石 墨 的 质 量 比 为 3∶5∶9 2。 石墨烯和碳纳米管在天然石墨表面形成一 层三维立体导电网络 结 构 , 克服天然石墨在充放电过 程中 易 剥 落 和 体 积 膨 胀 等 缺 陷 。 通 过 S EM, X R D, 结构和电化学进行 F T I R 等技术对 复 合 材 料 的 形 貌 、 了表征 。 发 现 复 合 材 料 的 导 电 性 和 电 极 材 料 的 比 容 量、 循环寿命 、 倍率性能皆得到提高 。
。V i n a a n等 y
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通过碳纳米管和石
墨烯两者间的 静 电 相 互 作 用 合 成 石 墨 烯 -碳 纳 米 管 混
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材料工程
2 0 1 7年4月
的锂离子电池负极材料 , 在充放电过程中易发生剥离 , 不可逆容量大 , 容量提高受到限制 , 阻碍了天然石墨的 进一步应用 。 为了突破这个瓶颈 , Z h a n g等
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碳纳米管与石墨烯协同改性 天然石墨及其电化学性能
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第4 5卷 2 0 1 7年4月
第4期 第1 2 1-1 2 7页
材 料 工 程
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. 1 2 1-1 2 7 A r . 2 0 1 7 p p p
邓凌峰 , 彭辉艳 , 覃昱焜 , 吴义强 ( ) 中南林业科技大学 材料科学与工程学院 , 长沙 4 1 0 0 0 4 , , a n, i a n D E NG L i n f e n P E NG H u i Q I N Y u k u n WU Y i - -y - -q g g g ( , S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n i n e e r i n C e n t r a l S o u t h g g , ) U n i v e r s i t o f F o r e s t r a n d T e c h n o l o C h a n s h a 4 1 0 0 0 4, C h i n a y y g y g
/ 摘要 :以碳纳米管和氧化石墨烯为原料 , 二者按 5 ∶ 3 混合超声分散 再 高 温 还 原 制 备 碳 纳 米 管/石 墨 烯/天 然 石 墨 ( C N T s / 、 、 锂离子复合负极材料 。 采用扫描电镜 ( 红外 光 谱 ( 和电化学测试等分析技术 r G O NG) S EM) X 射线衍射 ( X R D) F T I R) 结构 、 电化学进行表征 。 结果表明 : 石墨 烯 和 碳 纳 米 管 在 天 然 石 墨 表 面 形 成 三 维 立 体 网 络 结 构 。 与 对复合材料的形貌 、 / / / , 纯天然石墨相比 , 在 0. C N T s r G O NG 复合材料具有良好的倍率性能和循环寿命 , 1 C时首次放电比容量为4 7 9 mA h g / , / , 可逆容量达 4 循环 1 容量保 持 率 为 9 在 0. 7 3 mA h 0 0 次后容量为 4 3 9. 5 mA h 2% , 5, 1, 5 C不同电流倍率时容量依 g g / 。 次为 4 5 7, 4 3 3, 3 9 4 mA h g 关键词 :碳纳米管 ; 氧化石墨烯 ; 负极材料 ; 电化学性能 ; 三维网络结构 : / d o i 1 0. 1 1 8 6 8 . i s s n . 1 0 0 1 4 3 8 1. 2 0 1 6. 0 0 1 0 4 4 - j ( ) 中图分类号 : TM 9 1 2 文献标识码 :A 文章编号 : 1 0 0 1 4 3 8 1 2 0 1 7 0 4 0 1 2 1 0 7 - - -
[ 1] , 、 石墨 C a r b o n N a n o t u b e s C NT s) 碳 纳 米 管 ( [ 2] ) 烯 ( 等 低 维 碳 纳 米 材 料 具 有 独 特 的 几何 G r a h e n e p
合纳米结构材料做锂 离 子 电 池 负 极 材 料 , 具有较高的 比容量和循环稳定性能 。 石墨烯和碳纳米管间的静电 作用阻止了 其 堆 积 和 团 聚 , 增 加 了 比 表 面 积, 减短了
/ / 图 1 C NT s r G O NG 复合材料制备工艺图 / / F i . 1 P r o c e s s f l o w c h a r t o f C NT s r G O NG c o m o s i t e s g p
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有较高的表面能和范德华力 , 容易团聚和堆积 , 利用这 种特性把两者复合将 缺 陷 变 优 势 , 在电极材料方面已 有相关研 究
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负极材料 , 在高低温度下都具有良好的电化学性能 , 首 / 次库伦效率高达 8 电流密度为4 2% , 2 0 mA 0 g循环6 / 。 目前天然石墨是商业化 次后容量仍保持 8 0 8 mA h g