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石墨烯和石墨烯基四氧化三钴复合物的制备及其电化学性能研究

作　者: 刘进程
导　师: 王贵领
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 应用化学
关键词: 石墨烯 Co3O4/graphene复合物 嵌锂容量 电容性能
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


石墨烯,二维平面的单碳原子层,已成为了材料科学和物理界迅速崛起的新星。因为其具有较大的比表面积,良好的电和热传导性能,所以作为储能材料的应用潜力受到了极大的关注。本论文通过化学方法制备石墨烯(graphene)、CO3O4和Co3O4/graphene复合物,并用X射线衍射分析(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)等手段进行表征。XRD图谱表明制备了微米级的尖晶石构型的Co3O4,Co3O4/graphene复合物兼有尖晶石构型的C0304和石墨烯的特征峰,TEM显示复合物中四氧化三钴以纳米颗粒和棒状的形式存在于石墨烯表面和片层中,其中颗粒的粒径在10 nm以下。然后分别对石墨烯、纯Co3O4和Co3O4/graphene复合物的储锂性能进行了研究,结果表明石墨烯和四氧化三钴都具有较高的首次嵌锂容量,而Co3O4/graphene复合物的首次嵌锂比容量为786.08 mAh·g-1,库伦效率为96.55%,经过103次循环充放电后,嵌锂容量为1005mAh·g-1,脱锂容量为975 mAh·g-1,表现出了良好的可逆性和循环稳定性。为了考察不同Co3O4负载量对Co3O4/graphene复合物储锂性能的影响,制备了Co3O4含量不同的四种样品,研究的结果表明随着Co3O4含量的增加嵌锂容量增大,但在倍率性能测试中发现Co3O4含量为43.00%的复合物表现出最好的稳定性,在充放电电流增大到1860 mA·g-1时,嵌锂容量稳定在515 mAh·g-1。选取Co3O4负载量为43.00%的复合物对其电容性能进行了研究,结果表明复合材料兼有四氧化三钴的法拉第电容和石墨烯的双电层电容特性。首次充电比容量为441 F·g-1,放电比电容为363 F·g-1,经过500次循环比电容稳定在190 F·g-1,而且库伦效率在96%以上,表现了良好的循环性能和稳定性。

全文目录


摘要  5-6Abstract  6-11第1章 绪论  11-25  1.1 锉离子电池概述  12-14    1.1.1 锂离子电池发展简史  12-13    1.1.2 锂离子电池的工作原理  13-14  1.2 锂离子电池负极材料研究进展  14-18    1.2.1 碳素类材料  14-17    1.2.2 锡基负极材料  17-18    1.2.3 金属氧化物  18  1.3 石墨烯材料  18-21    1.3.1 石墨烯的发现  18-19    1.3.2 石墨烯的结构与性能  19-20    1.3.3 石墨烯的制备  20-21  1.4 新型石墨烯复合物的制备与应用  21-22  1.5 超级电容器简介  22-23  1.6 本论文的选题意义和研究内容  23-25    1.6.1 选题的意义  23-24    1.6.2 论文的研究内容  24-25第2章 实验材料与研究方法  25-31  2.1 实验药品与仪器  25-26    2.1.1 实验药品材料  25    2.1.2 实验仪器  25-26  2.2 材料的制备  26-28    2.2.1 石墨烯的制备  26-27    2.2.2 四氧化三钴的制备  27    2.2.3 Co_3O_4/graphene复合物的制备  27-28  2.3 材料的表征手段  28-29    2.3.1 扫描电子显微镜测试  28    2.3.2 透射电子显微镜测试  28    2.3.3 X射线衍射测试  28-29  2.4 电池的制备  29    2.4.1 电极的制作  29    2.4.2 电池的组装  29  2.5 超级电容器电极的制备  29-30  2.6 电池电化学性能测试  30-31    2.6.1 循环伏安测试  30    2.6.2 电化学阻抗谱测试  30    2.6.3 充放电测试  30-31第3章 石墨烯的储锂性能研究  31-40  3.1 引言  31  3.2 材料的物相表征  31-34    3.2.1 XRD表征  31-32    3.2.2 SEM表征  32-34  3.3 石墨烯的电化学性能研究  34-39    3.3.1 循环伏安曲线  34-35    3.3.2 交流阻抗曲线  35-36    3.3.3 充放电曲线  36-38    3.3.4 循环性能曲线  38-39  3.4 本章小结  39-40第4章 Co_3O_4/graphene复合物的储锂性能研究  40-60  4.1 引言  40  4.2 材料的物相表征  40-44    4.2.1 XRD表征  40-41    4.2.2 SEM表征  41-42    4.2.3 材料的TEM表征  42-43    4.2.4 材料的EDS图谱  43-44    4.2.5 材料的成分含量分析  44  4.3 Co_3O_4/graphene复合物的电化学性能表征  44-53    4.3.1 循环伏安曲线  44-46    4.3.2 交流阻抗谱分析  46-49    4.3.3 首次充放电曲线  49-51    4.3.4 循环性能曲线  51-53  4.4 不同四氧化三钻和石墨烯比例的复合物的储锂性能的研究  53-59    4.4.1 复合物中四氧化三钻含量的确定  53    4.4.2 不同四氧化三钻含量复合物的SEM表征  53-55    4.4.3 不同Co_3O_4含量的复合物的循环性能比较  55-56    4.4.4 不同Co_3O_4含量的复合物的倍率性能研究  56-59  4.5 本章小结  59-60第5章 Co_3O_4/graphene复合物的电容性能研究  60-70  5.1 引言  60  5.2 Co_3O_4/graphene复合物的电容性能测试  60-68    5.2.1 测试条件  60-61    5.2.2 电位区间的选取  61-62    5.2.3 不同扫描速度下的循环伏安  62-64    5.2.4 恒流充放电测试  64-68  5.3 本章小结  68-70结论  70-72参考文献  72-82攻读硕士学位期间发表的论文  82-83致谢  83

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 非金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族非金属元素（碳和硅）及其化合物 > 碳C
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