聚吡咯/部分还原氧化石墨烯复合材料作为锂/钾离子电池正极材料

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近些年来由于能源汽车的兴起,对锂离子电池有着更高的要求。而由于近年来锂离子电池的大量使用,导致Co、Li盐的价格上涨,因此寻求新型电池材料成为发展的新方向。本论文通过正交实验,探索得到用氧化聚合法合成电性能最佳的聚吡咯/部分还原氧化石墨烯复合材料(PPY-pRGO)的最优合成条件。通过XRD、TGA、FTIR、Raman、XPS、SEM和TEM对材料的结构进行表征。将PPY-pRGO复合材料作为锂/钾离子电池正极材料,通过充放电测试、CV、EIS等测试手段表征其电化学性能。(一)正交实验设计制备聚吡咯/部分还原氧化石墨烯。采用四因素三水平的实验方案,其四因素分别为:氧化石墨浓度、吡咯用量、超声时间及反应温度。经过九组正交实验,采用四因素为自变量,材料循环200圈之后的容量为因变量,通过SPSS软件分析,确定最佳合成条件为:氧化石墨浓度取1 mg/mL,吡咯取200mL,超声时间为8 h及反应温度为353 K。(二)探究PPY-pRGO的结构组成、电化学性能及储锂机理的研究。通过表征得到PPY包覆在氧化石墨(GO)表面,且与GO表面含氧官能团进行反应。PPY-pRGO在100 mAh g-1下200圈后放电比容量为235.2 mAh g-1,且在循环1200圈后仍有214.9 mAh g-1的高容量,平均每圈衰减率仅为0.009%,在1.6 A g-1的电流密度下,具有141.1 mAh g-1的比容量。PPY-pRGO在扫速为0.1 mV s-1下赝电容占比为51.4%,较高的赝电容决定了良好的倍率性能。(三)研究了GO和PPY-pRGO复合材料作为钾离子电池正极材料时的储钾机理和赝电容行为。测试结果表明,两种材料都能作为钾离子电池正极材料并且具有较高的放电比容量,特别是PPY-pRGO复合材料。PPY-pRGO复合材料作为钾离子电池正极材料时,在100 mA g-1的电流密度下,经过活化后具有高达200.8 mAh g-1的放电比容量,并且具有较好的循环稳定性能。GO和PPY-pRGO复合材料作为钾离子电池正极材料时具有与其作为锂离子电池正极材料时相似的电化学储能行为和赝电容行为。
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