论文总字数：22521字

摘 要

近年来，锂离子电池应用日趋广泛，但是如何提升电池性能一直是研究的热点。作为传统的负极材料，碳材料的理论比容量只有372 mAhg^-1,不能满足人们的需求，因此亟需寻找新的负极材料来进行替代，硫化锰作为过渡金属硫化物中的一种，具有较高的理论比容量，丰富的资源，低的成本，已成为现在研究的热点。但硫化锰也存在着容量衰减快，倍率性能差，首圈效率低等问题需要解决，出现这种问题主要是由于硫化锰材料导电性差，在充放电过程中体积变化大，本文针对上述问题来进行解决。

石墨烯作为一种新型碳材料，具有巨大的比表面积，同时具有良好的导电性，将石墨烯与硫化锰复合，可以有效提高材料的导电性，同时巨大的比表面积也能提供大量的活性位点，从而提高其电化学性能。本文通过简单的一步水热法，制备了石墨烯与硫化锰的复合材料，电化学测试表明，复合材料的倍率性能有了明显的提高，在电流密度为0.1 A g^-1时，材料的放电比容量达到了620 mAh g^-1，在5 A g^-1的电流密度下，比容量还有160 mAh g^-1。

关键词：负极材料 石墨烯 硫化锰

Abstract

In recent years, the application of lithium-ion batteries has become increasingly widespread, but how to improve battery performance has been a research hotspot. As a traditional anode material, the theoretical specific capacity of carbon material is only 372 mAh g^-1, which can’t meet people's needs. Therefore, it is urgent to find a new anode material to replace it. As one of the transition metal sulfides, manganese sulfide has a higher theoretical specific capacity, rich resources, and low cost, and has become a research hotspot. However, manganese sulfide also has problems such as rapid capacity decay, poor rate performance, and low first-round efficiency. This problem is mainly due to the poor conductivity of manganese sulfide materials and the large volume change during charge and discharge.

As a new type of carbon material, graphene has a huge specific surface area and good conductivity. Compounding graphene with manganese sulfide can effectively improve the electrical conductivity of the material. At the same time, the huge specific surface area can also provide a large number of active sites, thereby improving its electrochemical performance. In this thesis, a simple one-step hydrothermal method was used to prepare a composite material of graphene and manganese sulfide. Electrochemical tests showed that the rate performance of the composite material has been significantly improved. When the current density is 0.1 A g^-1, the specific capacity reached 620 mAh g^-1, and at a current density of 5 A g^-1, the specific capacity was 160 mAh g^-1.

Key words: Anode material; Graphene; Manganese sulfide

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 综述 1

1.1引言 1

1.2锂离子电池 1

1.2.1 概述 1

1.2.2 优点 3

1.2.3 缺点 3

1.3正极材料 3

1.3.1 LiCoO₂ 3

1.3.2 LiNiO₂ amp; LiMn₂O₄ 3

1.3.3 三元材料 4

1.3.4 LiFePO₄ 4

1.4负极材料 4

1.4.1 碳材料 4

1.4.2 合金 7

1.4.3 过渡金属硫化物 10

1.5硫化锰/碳材料复合材料 11

1.5.1 硫化锰 11

1.5.2 研究进展 11

1.5.3 制备方法 11

1.5.4 复合 12

1.6课题研究目的与内容 12

1.6.1 研究目的 12

1.6.2 研究内容 13

第二章 实验部分 14

2.1实验试剂及实验设备 14

2.1.1 实验试剂 14

2.1.2 实验设备 14

2.2材料的表征amp;性能测试与分析 15

2.2.1 表征 15

2.2.2 性能测试 16

2.3电极片的制备及电池的组装 17

2.3.1 制备电极片 17

2.3.2 组装电池 17

2.4材料的制备与复合 18

2.4.1 实验介绍 18

2.4.2 制备石墨烯 19

2.4.3 制备硫化锰 19

2.4.4 复合 20

第三章 结果与讨论 21

3.1表征 21

3.1.1 XRD结果分析 21

3.1.2FESEM结果分析 22

3.2电化学性能分析 22

3.2.1 恒流充放电测试曲线 22

3.2.2 倍率性能测试 23

3.2.3 阻抗交流测试 24

第四章 总结与展望 25

4.1总结 25

4.2展望 25

4.2.1 碳纳米管 硫化锰 25

4.2.2 赝电容现象 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 综述

1.1引言

锂离子电池，目前它的储能在整个电化学储能中占据着十分重要的地位。因为环境污染与防治一直是个热点问题，随着化石能源的减少，清洁能源的开发利用大势所趋^[1]。锂离子电池的优点有：由于它的密度高，因此可以达成小体积、小质量，另外，它效能较高、寿命长且污染低。在短时间内锂离子电池的自放电流比较小，可快速充电并且放电范围宽，这促使它在不仅是电池行业，而且在其他方面都有着宽泛的使用。在我国，目前对于锂离子电池的研究如火如荼，发展速度很快，目前市面上应用于电动车或者说电子设备之类居多。发展的更高目标是精益求精，目前来说锂离子电池的发展前景非常广，我们可能更多的在意产品的高性能、低成本和产品的安全性能方面，那电子产品上对锂离子电池的轻薄和便捷性这些方面的需求还是很大的，所以说发展前景很可观。

1.2锂离子电池

1.2.1 概述

锂离子电池如今应用很广泛。它的研究起源于“摇椅式电池”，意思就是说它的构造像摇椅。从最初的摇椅到后面的LiCoO₂型电池(以石墨作为碳材料)，在一定意义上是一个锂离子电池领域的技术革命。锂离子电池由于其不仅可逆充放电、性能好、比能量高、循环性能和安全性能好，同时还节能环保，促使它到现在仍然广泛用于各种便携式的电子装置上。

1. 锂离子电池的结构

如下图1-2-1(a)所示，可以清晰的看到其结构示意图。一般来说，锂离子电池主要是由正极、负极、隔膜和电解液这四部分结合在一起。

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