新型co2p石墨烯微纳结构锂离子电池负极材料制备及其性能研究【字数：9432】
过渡金属磷化物（TMPs）中磷原子半径较大，因而其填充的方式组成了特殊的晶体结构，且资源丰富，具有良好的导电性和导热能力，物理性质稳定，展现出远高于传统材料的电、磁、催化等性能，这使其在现代能源工业等领域得到了广泛的应用。更为重要的是，特殊三维晶体结构的TMPs能够表现出优异的脱嵌锂离子能力，提供较高的理论容量和能量密度，是新型电池工业最具潜力的负极材料。因此，如何可控制备过渡金属磷化物以及优化其微观结构，提高其电化学性能已经成为了具有挑战性的课题。本作品主要研究了磷化钴/碳复合材料微纳结构的可控合成及其储锂性能。主要研究内容如下发明一种简单的固相法，成功制备出由纳米棒自组装的Co2P微球，并通过石墨烯对其进行微观结构改性，所得到的Co2P/RGO复合材料在60 mA g?1的电流密度下表现出高达610 mAh g?1的可逆比容量，在大电流密度为3000 mA g?1下，仍有32 mAh g?1的放电比容量。同时，Co2P/RGO复合材料具有较长的循环寿命（500 mA g?1下充放电循环1000次后可得到397 mAh g?1的放电比容量，远高于传统石墨负极材料）。这项工作将为其他的金属磷化物的制备提供新方法，作为极具潜力的电极材料应用于各个储能领域。
Keywords：Cobalt phosphide；Graphene；Hierarchical structure；Anode； Lithiumion batteries 目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 锂离子电池简介 2
1.2.1 锂离子电池的发展简史 2
1.2.2 锂离子电池的工作原理 3
1.2.3 锂离子电池的组成 4
1.2.4 锂离子电池的特点 4
1.3 石墨烯及磷化钴概述 5
1.3.1 石墨烯简介 5
1.3.2 过渡金属磷化物研究进展 5
1.3.3 磷化钴微纳米材料的研究进展 6
1.3.4 磷化钴微纳米材料的制备 6
1.4. 本论文的研究意义和主要内容 7
1.4.1 研究意义 7
1.4.2 本论文研究内容 7
第二章 实验试剂和仪器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
8
2.1 实验方法 8
2.2 实验原料 8
2.3 实验仪器 8
2.4 材料性能表征 9
2.4.1 结构表征 9
2.4.2 电化学性能表征 10
第三章 Co2P纳米棒自组装微球/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料的性能研究 11
3.1 前言 11
3.2 实验结果与数据分析 12
3.3 结论 17
参考文献 18
致谢 22
绪论
引言
随着对可持续可再生能源的需求日益增长，储能装置的发展是越来越重要[1]。在众多储能装置中，锂离子电池以其高能量密度、长循环周期以及优秀的倍率性能在电动汽车和储能系统中得到广泛应用[2,3]。石墨是传统的商业化负极材料，然而其较低的理论比容量（372 mAh g?1）限制了锂离子电池的进一步发展[4]。因此，研发下一代的锂离子电池新型负极材料成为了当前社会面临的重要课题。过渡金属磷化物具有较高的理论容量，组成元素丰富，且具有金属特性。在充放电过程中具有较低的充放电电位和优越的热力学稳定性，得到了研究人员的广泛关注。
过渡金属磷化物（TMPs）中磷原子半径较大，因而其填充的方式组成了特殊的晶体结构（如图1.1），且资源丰富，具有良好的导电性和导热能力，物理性质稳定，展现出远高于传统材料的电、磁、催化等性能，这使其在现代能源工业等领域得到了广泛的应用[58]。
/
图1.1过渡金属磷化物典型晶体结构图
特别是磷化钴对于锂离子的嵌入展现出良好的稳定性，同时具有氧化还原高活性并在锂离子电池中展现出较高的容量[9,10]。然而，磷化钴所固有的低电子导电率和充放电过程中较大的体积膨胀性导致了其倍率性能和循环性能较差。因此，合理设计并制备出特殊的纳米结构可以有效地改善其储锂性能，同时，与功能性碳材料（如：碳管和石墨烯）的复合被证明是提高电化学性能的有效途径[11,12]。此外，目前大部分制备磷化钴复合材料的方法是使用有毒的烷基膦、有机试剂和表面活性剂等。因此，发展一个使用无毒试剂和廉价原材料的制备工艺也是十分令人期待的。
锂离子电池简介
锂离子电池的发展简史
锂离子电池是一种二次电池。这种电池的正极一般用二氧化锰、二氧化硫等，负极是金属锂。因其具有高比能量、高比容量、高电池电压、环保等优点，已广泛应用于某些军事活动和家庭民用小型电器中，已经部分取代了传统电池。例如:已实用化的锂电池有：LiCuO、LiMnO2等[13]。经过几十年的发展，锂离子电池已逐渐走进我们的生活，在通讯领域发挥着越来越重要的作用。
锂离子电池在20世纪80年代初逐渐开始研究，1990年日本Nagoura等人研制成以LiCoO2为正极、石油焦为负极的锂离子电池。
1990年以后，日本索尼电池公司相继开发了以碳和以聚糖醇热解碳为负极材料的锂离子电池。
国内一些厂家，例如厦门宝龙工业有限公司和金能电池有限公司也在20世纪90年代相继生产聚合物锂离子电池[14]，
据统计，世界锂离子电池生产速度较快，图1.2显示了近年来锂离子电池的生产情况。
/
图1.2锂离子电池产量情况
聚合物锂离子电池与液态锂离子电池容量相比，其容量相对大一些。又由于聚合物锂离子电池材料柔软，容易制成任何形状的电池。因此，聚合物锂离子电池是笔记本电脑和手机等小型设备的理想电源[15]。它们两者性能对比如下表1.1所示。
表1.1锂离子电池性能比较
厂家
型号
容量(mA???h)
比能量(Wh/L)
质量(g)
聚合物锂离子电池
UP38352
580
290
16
液态锂离子电池
UF463048P
500
300
Keywords：Cobalt phosphide；Graphene；Hierarchical structure；Anode； Lithiumion batteries 目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 锂离子电池简介 2
1.2.1 锂离子电池的发展简史 2
1.2.2 锂离子电池的工作原理 3
1.2.3 锂离子电池的组成 4
1.2.4 锂离子电池的特点 4
1.3 石墨烯及磷化钴概述 5
1.3.1 石墨烯简介 5
1.3.2 过渡金属磷化物研究进展 5
1.3.3 磷化钴微纳米材料的研究进展 6
1.3.4 磷化钴微纳米材料的制备 6
1.4. 本论文的研究意义和主要内容 7
1.4.1 研究意义 7
1.4.2 本论文研究内容 7
第二章 实验试剂和仪器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
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2.1 实验方法 8
2.2 实验原料 8
2.3 实验仪器 8
2.4 材料性能表征 9
2.4.1 结构表征 9
2.4.2 电化学性能表征 10
第三章 Co2P纳米棒自组装微球/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料的性能研究 11
3.1 前言 11
3.2 实验结果与数据分析 12
3.3 结论 17
参考文献 18
致谢 22
绪论
引言
随着对可持续可再生能源的需求日益增长，储能装置的发展是越来越重要[1]。在众多储能装置中，锂离子电池以其高能量密度、长循环周期以及优秀的倍率性能在电动汽车和储能系统中得到广泛应用[2,3]。石墨是传统的商业化负极材料，然而其较低的理论比容量（372 mAh g?1）限制了锂离子电池的进一步发展[4]。因此，研发下一代的锂离子电池新型负极材料成为了当前社会面临的重要课题。过渡金属磷化物具有较高的理论容量，组成元素丰富，且具有金属特性。在充放电过程中具有较低的充放电电位和优越的热力学稳定性，得到了研究人员的广泛关注。
过渡金属磷化物（TMPs）中磷原子半径较大，因而其填充的方式组成了特殊的晶体结构（如图1.1），且资源丰富，具有良好的导电性和导热能力，物理性质稳定，展现出远高于传统材料的电、磁、催化等性能，这使其在现代能源工业等领域得到了广泛的应用[58]。
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图1.1过渡金属磷化物典型晶体结构图
特别是磷化钴对于锂离子的嵌入展现出良好的稳定性，同时具有氧化还原高活性并在锂离子电池中展现出较高的容量[9,10]。然而，磷化钴所固有的低电子导电率和充放电过程中较大的体积膨胀性导致了其倍率性能和循环性能较差。因此，合理设计并制备出特殊的纳米结构可以有效地改善其储锂性能，同时，与功能性碳材料（如：碳管和石墨烯）的复合被证明是提高电化学性能的有效途径[11,12]。此外，目前大部分制备磷化钴复合材料的方法是使用有毒的烷基膦、有机试剂和表面活性剂等。因此，发展一个使用无毒试剂和廉价原材料的制备工艺也是十分令人期待的。
锂离子电池简介
锂离子电池的发展简史
锂离子电池是一种二次电池。这种电池的正极一般用二氧化锰、二氧化硫等，负极是金属锂。因其具有高比能量、高比容量、高电池电压、环保等优点，已广泛应用于某些军事活动和家庭民用小型电器中，已经部分取代了传统电池。例如:已实用化的锂电池有：LiCuO、LiMnO2等[13]。经过几十年的发展，锂离子电池已逐渐走进我们的生活，在通讯领域发挥着越来越重要的作用。
锂离子电池在20世纪80年代初逐渐开始研究，1990年日本Nagoura等人研制成以LiCoO2为正极、石油焦为负极的锂离子电池。
1990年以后，日本索尼电池公司相继开发了以碳和以聚糖醇热解碳为负极材料的锂离子电池。
国内一些厂家，例如厦门宝龙工业有限公司和金能电池有限公司也在20世纪90年代相继生产聚合物锂离子电池[14]，
据统计，世界锂离子电池生产速度较快，图1.2显示了近年来锂离子电池的生产情况。
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图1.2锂离子电池产量情况
聚合物锂离子电池与液态锂离子电池容量相比，其容量相对大一些。又由于聚合物锂离子电池材料柔软，容易制成任何形状的电池。因此，聚合物锂离子电池是笔记本电脑和手机等小型设备的理想电源[15]。它们两者性能对比如下表1.1所示。
表1.1锂离子电池性能比较
厂家
型号
容量(mA???h)
比能量(Wh/L)
质量(g)
聚合物锂离子电池
UP38352
580
290
16
液态锂离子电池
UF463048P
500
300
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