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超级电容器是介于电池和传统电容器之间的一种新型储能元件,兼有电池比能量高和电容器比功率大的优点。 非对称型超级电容器负极材料应该具备工作电位低、能量密度高、循环性能稳定、可进行大电流充放电等性能。尖晶石结构的Li4Ti5O12锂离子的化学扩散系数高、循环性能稳定、表面不易形成钝化膜、安全性高,使其展现出用作超级电容器负极材料的良好前景。但是由于尖晶石Li4Ti5O12是半绝缘材料,电子电导率低,锂离子传导率低等缺点,限制了其应用。石墨烯的片层结构可以增大材料的电子电导率,并且利于电解液的浸润和锂离子的嵌入/脱出,提高复合材料的储能密度和功率特性。 本论文采用溶胶-凝胶法制备Li4Ti5O12纳米材料,并用预煅烧法和化学还原法制备钛酸锂/石墨烯(Li4Ti5O12/G)复合材料,利用X射线衍射图谱(XRD)、扫描电镜(SEM)、等表征手段对合成材料进行了形貌结构表征;并且分别组装成锂离子纽扣电池和非对称型超级电容器,利用循环伏安(CV)、恒电流充放电以及电化学阻抗图谱(EIS)等测试手段对电极和电容器进行了电化学性能表征。 1.采用溶胶-凝胶合成前驱体,经分段煅烧的方法制备Li4Ti5O12,并考察了钛锂摩尔比、煅烧时间对产物的影响,优化制备工艺,制备出粒径小,结晶程度好的Li4Ti5O12纳米颗粒。对纯相Li4Ti5O12进行电化学测试,测试结果表明,其在电流密度17.5mA·g-1下的首次容量密度为145 mAh·g-1,纯相Li4Ti5O12具有较好的电化学可逆性,电子导电率较低。 2.采用溶胶-凝胶体系中加入氧化石墨烯(GO)、预煅烧法和化学还原法制备Li4Ti5O12/G复合材料。溶胶-凝胶体系中加入氧化石墨烯时,复合材料中含有大量的TiO2,复合材料的容量密度较低,没有达到石墨烯掺杂的目的。预煅烧法和化学还原法制备的Li4Ti5O12/G复合材料,XRD、SEM分析表明产物形成了Li4Ti5O12,并且石墨烯包覆Li4Ti5O12形成导电网络。对复合材料进行电化学性能研究,石墨烯含量为10％的复合材料,在电流密度17.5 mA·g-1下的容量密度分别为155mAh·g-1、160mAh·g-1,并且复合材料的放电平台平稳,极化电位较小,循环性能较好。原因是石墨烯的掺杂增大了材料的结晶度、减小了颗粒粒径、形成导电网络,有利于提高锂离子的扩散速率和脱嵌效率,使其具有优异的电化学性能。 3.将预煅烧法、化学还原法制备的Li4Ti5O12/G复合电极,商品Li4Ti5O12与AC制备的Li4Ti5O12/AC复合电极分别与AC组装非对称型超级电容器,进行充放电等电化学测试。测试结果表明,在电流密度2 mA·g-1下,化学法制备的复合电极组装的电容器的能量密度能达到83Wh·kg-1,说明AC与Li4Ti5O12/G非对称型超级电容器具有比较优异的充放电性能。对于AC//Li4Ti5O12/AC非对称型超级电容器,当Li4Ti5O12含量为30%时,电容器的能量密度和功率密度相对较高。