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1、石墨烯基材料調控合成與儲鋰性能研究1緒論1.1研究背景（ResearchBckground）隨著世界經濟的快速發(fā)展，不可再生化石能源日漸緊缺以及由此引發(fā)的環(huán)境問題的日益嚴重，人類迫切地期待高效、安全、清潔和成本低廉的新型能源，與此相關的新型儲能材料與器件的研究與開發(fā)也因此成為社會和科研界關注的焦點[1,2]。在眾多的能源存儲轉換體系中，化學電源包括二次電池具有不可替代的重要作用，尤其是作為新一代化學電源的鋰離子電池（Lithiumionbattery，LIB）更被寄予了很高的希望。與鉛酸、鎳鎘和鎳氫等二次電池相比，鋰離子電池具有能量和功率密度高、工作電壓高、自放電率低、
2、無記憶效應、循環(huán)壽命長、使用安全和環(huán)境友好等獨特優(yōu)勢，迅速發(fā)展成一種最重要和最先進的二次電池，在諸多應用領域發(fā)揮了不可替代的作用。2010年，全世界鋰離子電池的產值已經達到118億美元，其中60%用于移動電源，其余的則用于筆記本電腦、電動工具、醫(yī)療器械等。隨著交通工具和電網調峰儲能系統和其他方面對大型鋰離子電池的需求日益增多，全世界鋰離子電池的產值將有更大幅度增長，預計2015年可以達到314億美元，并且到2020年達到537億美元[3]。與此同時，鋰離子電池相關的領域也成為目前基礎科學和應用技術研究的熱點[1,4,5]。1.2鋰離子電池簡介（Introductiono
3、fLIB）鋰離子電池的發(fā)展歷史可以追溯到20世紀50年代開始的金屬鋰原電池。鋰是元素周期表中標準電極電勢最低（E0(Li+/Li)=-3.04V）、密度最?。?rho;=0.53gcm-3）、比容量最高（3860mAhg-1）和離子半徑最小的金屬。以金屬鋰作為電極的儲能電池具有比能量大、電壓高、放電電壓平穩(wěn)等優(yōu)點[1]。20世紀70年代金屬鋰原電池的成功應用，引發(fā)并推進了金屬鋰二次電池的研制。1972年，Exxon公司率先推出了以金屬鋰為負極，TiS2為正極的金屬鋰二次電池[6,7]。然而，由于金屬鋰在充放電過程中會在電極表面不均勻沉積，形成枝晶，刺穿隔膜使電池內部短路
4、大量發(fā)熱，引發(fā)了嚴重的安全問題。此后，圍繞如何解決金屬鋰二次電池安全性的問題進行了長期不懈的研究，但這種金屬鋰二次電池最終沒有實現商品化。1970年代，Armand等先后提出了兩種解決途徑：（1）采用聚合物固體電解質，它不與鋰發(fā)生反應，可制備全固態(tài)鋰金屬二次電池[8]；（2）采用很低電壓就能使鋰離子嵌入脫出的材料來代替金屬鋰[9,10]，從而發(fā)展為正極和負極采用鋰離子嵌入材料的鋰離子二次電池。根據第二條解決途徑，1990年Sony公司開始了以石油焦為負極，LiCoO2為正極的鋰離子電池的商業(yè)化生產，并首次提出鋰離子電池這一全新的概念[11]。由于負極采用石油焦替代了原先
5、的Li金屬，解決了長期困擾鋰電池的Li枝晶問題，從而極大地提高了電池的安全性。鋰離子電池的出現是在二次電池歷史上的一次飛躍，在隨后的20余年中，其商業(yè)化進程取得了突飛猛進的發(fā)展。目前，鋰離子電池已經穩(wěn)固占據了、平板電腦、數碼相機等便攜式數碼產品電源的主要市場份額，并在電動工具、電網儲能、空間技術和軍事裝置等高容量大功率電源領域展示出了廣闊的應用前景和潛在的巨大經濟效益。..2實驗2.1儀器與試劑（InstrumentsandReagents）本論文實驗中所用到的主要儀器和設備見表2-1，化學合成實驗和組裝電池所用到的主要化學試劑和耗材見表制備研究電極是測試目標材料的儲鋰
6、性能和電化學反應機理的關鍵步驟之一。首先按一定比例稱取活性材料和粘合劑，在真空干燥箱中80oC烘干12h，除去材料中的水分；將粘合劑PVDF與溶劑NMP按一定比例混合后球磨5~8h，再用超聲波振蕩0.5h配制成溶液；按一定比例在球磨罐中加入活性材料和粘合劑溶液，球磨2h，得到電極漿料；將漿料均勻地涂布在銅箔集流體上；再將涂膜后的電極片在鼓風干燥箱中80oC下烘干；獲得的電極片按照預定的尺寸裁剪，并用粉末壓力機壓制后（壓力15MPa），再置于真空烘箱中120oC烘干12h，然后移入手套箱內放置24h后方可使用。2.2實驗電池的組裝本論文所用到的兩電極扣式電池和三電極模擬電
7、池均在氬氣手套箱中組裝完成，裝配原理如圖2-1所示。扣式電池采用CR2032或者CR2025商品電池殼，從下向上組裝，首先將研究電極置于電池殼下蓋中間，再在研究電極上面疊放一片Celgard2300隔膜（隔膜的直徑略大于研究電極和對電極），并滴入適量的電解液；然后將對電極（金屬鋰片）疊放在隔膜上面，使其與研究電極對正；最后裝好電池殼上蓋，擦去外殼上漏出的電解液；將電池用生料帶包裹密封，轉移出手套箱，隨即用扣式電池扣邊機加壓密封；組裝好的研究電池需要靜置一段時間，方可進行電化學測試[1]。組裝三電極模擬電池所用的玻璃電解池是按照預先設計好的
