摘要：为了满足由于经济急剧膨胀发展而引起的能源需求,许多研究者尝试设计出高效,低成本,且环保的能源体系。目前...为了满足由于经济急剧膨胀发展而引起的能源需求,许多研究者尝试设计出高效,低成本,且环保的能源体系。目前,作为锂离子电池（LIBs）商用的石墨负极材料只有相当低的理论容量（372 m Ah g-1）,这对于应用在高比容量和高功率密度的能量储存设备是明显不足的。近些年来,过渡金属氧化物（Mx Oy,M=Co,Ni,Cu or Fe）拥有较高的可逆容量（1000 m Ah g-1）,已经被认为是最具潜力的锂离子电池负极材料候选之一。然而,由于自身较低的电/离子传导性,较大的体积膨胀和颗粒易团聚等固有缺陷,所有过渡金属氧化物在深度充放电的过程中表现出较差的初始库仑效率和较短的循环寿命,这导致不令人满意的结果。为了克服这些缺点,通常有两种策略来解决这些问题。一种方法是合成异质结构,实验证实异质结构材料具有较长的循环寿命和较大的锂存储能力,引起了研究者很大的兴趣;另一种方法是构造0维（1D）,1D,2D和3D结构的纳米过渡金属氧化物/碳复合材料,以增强电导率和结构稳定性。由于独特的2D结构的石墨烯在各种导电添加剂中具有优异的电学,机械和热力学性能。因此,直接在还原氧化石墨烯（RGO）的导电基底上负载异质结构的过渡金属氧化物应该是获得高性能的LIB电极材料的方法。基于以上两方面的改进,本文的主要研究内容如下:（1）Cu2O-Cu O-RGO复合物通过自组装的溶剂热路线,在水和乙醇为溶剂的混合溶液中成功地被合成,在此条件下Cu2O-Cu O纳米球也相应地被成功合成。Cu2O-Cu O-RGO复合物作为锂离子电池负极材料展示了出色的电化学性能:在100 m A g-1的电流密度下,在80圈循环后可逆可逆比容量保持在842.5 m Ah g-1。并且依次分别在100、200、500、1000、2000、5000和100 m A g-1下各循环10圈,Cu2O-Cu O-RGO复合物的平均可逆比容量分别为840,723,511,402,336,224和703 m Ah g-1。根据复合材料的结构和储锂机理分析,其表现出电化学能的原因是:电化学性能的明显提高主要是由于发挥了多组分优势,实现协同效应;异质结构的Cu2O-Cu O纳米球紧紧连着还原石墨烯片两侧,共同作用可以缩短电子和锂离子的传输路径;形成的“三明治”结构,可以防止经过深度充放电循环后还原石墨烯片重新堆积和纳米球团聚,有效提高了电极材料的导电性,并且缓解其体积膨胀。（2）3D CoO-Co3O4-RGO复合物,通过自组装的溶剂热路线,在水和乙醇为溶剂的混合溶液中成功地被合成,并且异质结构的CoO-Co3O4纳米带在此条件下也是成功的制备。异质结构的三元CoO-Co3O4-RGO复合物作为锂离子电池负极材料展示了出色的电化学性能在100 m A g-1的电流密度下,在200圈循环后可逆可逆比容量保持在994 m Ah g-1。并且依次分别在100、200、500、1000、2000、5000和100 m A g-1下各循环10圈,Cu2O-Cu O-RGO复合物的平均可逆比容量分别为1210,1060,890,730,578,392和915m Ah g-1。三元CoO-Co3O4-RGO复合物电化学性能的明显提高主要是:由于异质结构和还原氧化石墨烯共同实现协同效应;形成的“三明治”结构,可以防止经过深度充放电循环后还原石墨烯片重新堆积和纳米带团聚和粉化,有效提高了电极材料的导电性,并且缓解其体积膨胀;2D的CoO-Co3O4纳米带更容易紧紧贴着2D还原石墨烯片两侧共同构成3D的储能材料,与电解液充分接触可以缩短电子和锂离子的传输路径。（3）在类似的溶剂热路线下,探究不同元素的异质结构金属氧化物和石墨烯构建的3D复合物是否也具有电化学性能。通过杂交氧化铜和氧化钴,三元Cu O-Co3O4-RGO复合物在水和乙醇为溶剂的混合溶液中成功地被合成。制备的Cu O-Co3O4-RGO复合物在100m A g-1的电流密度下,在200圈循环后可逆可逆比容量保持在847 m Ah g-1。并且依次分别在100、200、500、1000、1500、2000和100 m A g-1下各循环10圈,Cu2O-Cu ORGO复合物的平均可逆比容量分别为927、823、702、594、446、291和765 m Ah g-1。根据复合材料的结构和储锂机理分析,其表现出电化学能的原因是:电化学性能的明显提高主要是由于发挥了多组分优势,实现协同效应;不同元素的异质结构Cu O-Co3O4纳米球紧紧连着还原石墨烯片两侧,共同作用可以缩短电子和锂离子的传输路径;形成的“三明治”结构,可以防止经过深度充放电循环后还原石墨烯片重新堆积和纳米球团聚,有效提高了电极材料的导电性,并且缓解其体积膨胀。综上所述,本文设计溶剂热制备的异质结构过渡金属氧化物/石墨烯三元复合物具有理想的循环性能和倍率性能,但是复合物作为负极材料时,电压平台过高难以寻找与之匹配的正极材料,影响了能量密度和功率密度的输出,可能阻碍其商业化应用。深入研究比较石墨烯复合物和商业石墨的充放电过程的储锂机理,改善异质结构的配比,优化石墨烯的量,对其今后的应用都有重大意义,有望成为下一代高性能锂离子电池负极材料。更多还原显示全部
