摘 要

由于经济发展、社会进步导致了化石能源的大量消耗，能源的有效利用显得尤其关键，因此对于高质量的能源储存装置的需求越来越大。锂离子电池作为能源储存装置中的佼佼者，研究和发展至关重要。而对于锂离子电池来说，其倍率性能及能量密度的提高至关重要。因此，需要一种能提供高能量密度的电极材料。

本论文以V₂O₅和石墨烯的复合材料为主要研究对象，通过改变与V₂O₅复合的石墨烯的含量，制得多种石墨烯含量的复合材料，并通过XRD、SEM等测试方法对其结构以及形貌进行表征。此外，将复合材料通过配制浆料，制备成锂离子电池的正极片，再组装成扣式电池。通过恒流充放电、循环伏安以及倍率等等测试对其电化学性能进行分析。

研究结果表明：通过将V₂O₅和石墨烯进行复合改性，得到了性能优异的锂离子电池正极材料。

关键词：五氧化二钒；锂离子电池；石墨烯；正极材料

Abstract

With the economic development, social progress has led to the large consumption of fossil fuels, the effective use of energy is particularly critical, so the demand for high-quality energy storage devices growing. Lithium-ion batteries as a leader in energy storage devices, research and development is essential. For lithium-ion batteries, the magnification performance and energy density is essential. Accordingly, there is a need for an electrode material that provides high energy density.

The main research object of this dissertation is V₂O₅ and graphene composites. By changing the content of graphene compound with V₂O₅, a variety of graphene content composites were prepared and analyzed by XRD, SEM and TEM. As well as the appearance of the characterization. In addition, the composite material through the preparation of slurry, prepared into lithium-ion battery positive electrode, and then assembled into a button cell. The electrochemical performance was analyzed by constant current charging and discharging, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy.

The results show that the positive electrode material of lithium ion battery with excellent performance is obtained by carrying out compound modification of V₂O₅ and graphene.

Key words: vanadium pentoxide; lithium ion battery; graphene; cathode material

目录

第一章 绪论 1

1.1 锂离子电池简介 1

1.1.1 锂离子电池的发展历程 1

1.1.2 锂离子电池的构成组件 2

1.1.3 锂离子电池的工作原理 2

1.2 锂离子电池的正极材料 2

1.2.1 锂离子电池的正极材料基本要求 2

1.2.2 常见的锂离子电池的正极材料 3

1.3 V₂O₅的结构性质及应用 5

1.3.1 V₂O₅的结构特点 5

1.3.2 V₂O₅的嵌锂过程 6

1.3.3 V₂O₅的应用及结构改良 6

1.4 石墨烯的结构与性质及应用 7

1.4.1 石墨烯的结构及性能 7

1.4.2 石墨烯的制备 8

第二章 石墨烯复合的钒氧化物纳米片的制备 10

2.1 实验药品及仪器 10

2.1.1 实验药品 10

2.1.2 实验仪器 10

2.2 V₂O₅/石墨烯纳米复合材料的制备 11

2.3 结构和性能的表征方法 12

2.3.1 结构表征 12

2.3.2 电化学性能表征 12

第三章 V₂O₅复合石墨烯复合材料的结构及电化学性质 14

3.1 结构测试 14

3.1.1 TG-DSC分析 14

3.1.2 X射线衍射 15

3.1.3 场发射扫描电子显微镜 15

3.2 电化学性能测试 17

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 24

第一章 绪论

随着经济全球化的发展，能源的需求也日益增长。传统能源的储存量有限且使用效率不高，对环境危害还大。人们在考虑能源的效率等的因素的同时，也必须考虑到对环境的影响，人们迫切希望可以摆脱掉对传统化石能源的依赖。这样一来，对清洁能源的需求也将大幅度提高。因此，寻找可再生的、能代替化石能源来保证社会和经济发展的清洁能源成为了当务之急^[1,2]。可再生能源，顾名思义，是一种不断再生的能源，而且其对环境友好的能源，例如太阳能、生物能、海洋温差能等等。但是想要利用这些能源也有不少难题，例如使用成本比较高，能源分散导致难以统筹协调并入电网。因此能源的转化与存储对于可再生能源来说至关重要。电化学能量存储有着灵活便捷高效等多种特点。而锂离子电池有很多优点，例如：能够快速充放电、电池的工作电压很高、能量密度较大、电池的自放电能力比较弱、工作温度范围广而且循环寿命长，是一种有着很好发展前景的能量存储装置，因而备受关注。电极材料是深刻影响着锂离子电池电化学性能的关键组成部分之一，研发出能量密度高并且安全性能良好，还要对环境友好，成本低廉便于大量生产的正负极材料很有必要^[3-18]。

1.1 锂离子电池简介

1.1.1 锂离子电池的发展历程

在上世纪80年代，伊利诺伊理工大学的R.R.Agarwal教授和J.R.Selman教授发现在石墨中可以充分地嵌入锂离子，并且这个嵌入过程是快速而可逆的。与70年代采用金属锂制成的锂电池，其安全性能有所提高。因此人们便利用石墨中嵌入锂离子来制作充电电池。90年代，日本索尼公司发现了，以含锂化合物为正极、炭材料为负极的锂电池。在这种锂电池的充放电过程中，只含有锂离子却不含金属锂，这不是锂电池，而是锂离子电池。纵观电池的发展历史，能够总结出电池发展有着以下三种特点：一是向着环保的方向发展；二是从一次电池向蓄电池这种重复使用的电池转化；三是电池的体型越来越精致，向更小更薄更轻的方向发展。而锂离子电池具有能量密度大、能够快速充放电、对环境友好绿色无污染、使用寿命长等等多个特点^[19,20]，符合人们的需求，因而得到比较多的关注和研究。随着信息化时代的到来，智能手机、平板电脑的使用量也越来越大，因此锂离子电池的各类需求也越来越多，需要对其进行更深入更广泛的研究。

1.1.2 锂离子电池的构成组件

组成一个锂离子电池需要的组件有：正极、负极、电解液、隔膜、电池外壳等。其外形根据需求被制造成扣式、长方形、圆柱形等等。

正极——其性能满足：高电压、高容量、长寿命、快速充放电、平台平稳（与电解液间不发生反应）。活性物质多为层状过渡金属氧化物、尖晶石型锰酸锂或者是钴酸锂等等；