摘 要

Abstract II

第一章 引言 3

1.1 绪论 3

1.2 锂离子电池的发展历程 3

1.3 锂离子电池的应用及前景 5

1.4 锂离子电池的工作原理 6

1.5 锂离子电池的特点 7

第二章 锂电池的负极材料 9

2.1 锂电池的负极材料的现状及发展 9

2.2 黑磷 9

2.3 石墨烯 10

第三章 负极材料的制备、表征、及测试 12

3.1 以泡沫镍为基底的石墨烯包覆的黑磷负极材料的制备 12

3.1.1 黑磷的剥离 12

3.1.2 电化学沉积 12

3.1.3 材料的制备 12

3.2 形貌表征 13

3.2.1 SEM 13

3.2.2 XRD和Raman 14

3.3 电化学性能测试 15

3.3.1 CV 15

3.3.2 倍率 18

3.3.3 阻抗 19

第四章 总结与展望 21

4.1 工作总结 21

4.2 研究展望 21

参考文献 22

致谢 24

黑磷/石墨烯作为锂离子电池负极材料的制备及其电化学性能研究

摘要

目前锂离子电池的负极材料主要以碳材料为主，但是碳的理论容量较低。而硅作为锂电池负极材料其体积膨胀太严重。黑磷以其极高理论容量以及类石墨烯结构受到成为电池的新型材料。本实验采用电化学沉积方法制得以泡沫镍为基底的石墨烯包覆黑磷纳米片的纳米复合材料。黑磷纳米片都被石墨烯包覆着分布在泡沫镍表面，还原后氧化石墨烯包覆在黑磷纳米片外，增加了稳定性。研究表明：黑磷/石墨烯负极材料具有较高的容量、稳定性和倍率性能。黑磷为主要储能活性材料，还原氧化石墨烯有效提高导电性、稳定性。

关键词：锂离子电池 负极材料 黑磷 石墨烯

Synthesis and Electrochemical Performance of Black Phosphorus /Graphene Anode Material for Lithium Ion Batteries

Abstract

At present, carbon material as the anode material of lithium ion battery has low theoretical capacity. While silicon as the anode material has volume expansion. Black phosphorus is a new type of material with its extremely high theoretical capacity and graphene-like structure. In this experiment, black phosphorus @graphene nanocomposites were in-situ prepared by electrochemical deposition method. The oxidized graphene cover on the black phosphorous nanosheet, and the stability of the battery is increased. The results show that the black phosphorus / graphene anode material has high capacity, stability and perfect performance. Black phosphorus is the main active material of the anode material , and reduced graphene oxide can improve the conductivity and stability of the battery.

Key Words：lithium-ion battery; anode material; black phosphorus; graphene.

引言

绪论

能源问题是21世纪最重要的课题之一。储能可以追溯到古代，它是相当简单自然。人类最初用木头做火和木炭，它们是太阳能的生物质能储存载体能源。火带来温暖，亮度，熟食，以后青铜器和铁器，因此木炭能量作为古代文明最重要的驱动力之一。大约900年前，煤炭发展从埋藏植物成长数百万甚至数十亿年前存储太阳能在比木材或密度高得多的密度木炭被发现并用作燃料。后来，煤被用来给蒸汽供电发动机在18世纪的象征第一次工业革命，后来到了发电。

自20世纪初以来。石油显然不仅仅是一种燃料，并且不仅用于为车辆通电内燃机也可以制造合成纤维，树脂，塑料和几乎我们今天生活中的一切。由于电机和发电机是在19世纪70年代发明的电能已成为最重要的二次能源消费能量的主要形式。可以产生电力从燃油电力，太阳能发电，水电，风力发电，核电，潮汐能，生物能源系统等等在我们几乎每一个生活中不可或缺的照明，变暖和冷却，从烹饪到娱乐，交通，和沟通。随着飞速发展现代工业和全球人口持续增长，电能消耗的速度急剧增加增加，消费方式多样化。能源存储变得更加复杂和重要，而且期望的和高性能的储能技术是需要实现高效，多功能和环保使用能源包括电力。铁，铜，镍和钴的锂离子电池元件被认为对于焚烧炉和垃圾填埋场是安全的。 这些金属可以回收，但采矿通常比回收便宜。 目前，由于成本，复杂性和低产量，对锂离子电池的回收投入不多。 涉及金属构建的最昂贵的金属是钴。 磷酸铁锂便宜，但有其他缺点。 锂比其他金属便宜，但循环利用可能会阻止未来的短缺。镍和钴的正极和溶剂的制造过程，潜在的环境和健康危害。制造一公斤的锂离子电池需要相当于1.6公斤的能源。

锂离子电池的发展历程

锂电池由英国化学家M .Stanley Whittingham提出，现在在宾汉姆顿大学，在七十年代为埃克森公司工作。Whittingham使用硫化钛（IV）和锂金属作为电极。然而，这种材料永远无法实现电锂电池再充电。二硫化钛是一个很差的选择，因为它必须在完全密封的条件下合成。成本非常昂贵的（二十世纪七十年代的二硫化钛原料，每公斤约1000美元）。当暴露于空气中时，二硫化钛反应形成硫化氢化合物，其具有臭味的气味。为此，以及其他原因，埃克森停产了Whittingham锂二硫化钛电池的发展。同时，具有金属锂电极的电池被提出了存在安全问题，因为锂元素非常活泼，只要存在水和氧气它就可以正常大气条件下燃烧。因此，研究开始研发电池，以锂化合物代替金属锂，能够接受和释放锂离子。

石墨中的可逆插层和插入阴极氧化在慕尼黑TU的J.O.Besenhard在20世纪70年代被发现。 Besenhard提出在锂电池中的电解质分解和溶剂共同插入石墨是电池寿命的严重早期缺点。

1973 - Adam Heller提出锂离子电池，仍然用于植入医疗器械和防护系统，其使用条件超过20年的保质期，高能量密度或极端的工作温度。

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