基于热应力-超声辅助的单层石墨制备及其储锂机理研究

寻找高比容量且循环性能优异的碳负极材料是当前锂离子电池材料研究的中心任务之一。由sp2碳原子紧密排列成的二维蜂窝状格子的单层石墨片，具有良好的导电性和化学稳定性，很有希望在高容量储锂材料方面得到应用。项目通过热应力-超声辅助石墨氧化法，研究高产率、面积大小可控的单层石墨制备条件，通过后处理引入特定类型和数目缺陷或者纳米粒子来改变单层石墨和石墨层间微观结构的电子状态。利用单层石墨大的比表面积和高的电子传导率，对其储锂性能进行研究，以期得到高可逆容量、低不可逆容量的新型改性电极材料。通过对不同样品（本征、球磨或者化学刻蚀处理、纳米粒子修饰等）的电化学性能对比研究，结合理论计算，探讨新型碳材料的储锂机理，揭示微结构及缺陷特征参数与储锂容量之间的量化关系，找到提高碳材料可逆循环性能的有效方法，为设计、评估碳材料的电化学性能以及最终制备出嵌锂性能优异的新型碳材料提供依据。

寻找高比容量且循环性能优异的碳负极材料是当前锂离子电池材料研究的中心任务之一。由sp2碳原子紧密排列成的二维蜂窝状格子的石墨烯，具有良好的导电性和化学稳定性，很有希望在高容量储锂材料方面得到应用。本项目采用热应力-超声辅助石墨氧化法，通过对反应条件的控制，实现了高纯度、高比表面积且层数可控石墨烯的化学法制备。利用微、纳米的金属氧化物颗粒对石墨烯进行改性，得到的复合电极材料具有很好的电化学性能，其原因主要是：石墨烯提高了氧化物材料的分散性以及电极材料导电性。利用密度泛函理论，对锂离子在石墨烯和掺杂石墨烯中的扩散、团簇在石墨烯表面的吸附以及石墨烯量子点的磁性等问题进行了理论计算研究，使我们对石墨烯相关材料的储锂机理有了更深入的理解。此外，关于双层石墨烯纳米带层间滑动对电导性质的研究，理论模拟了双层石墨烯纳米带在层间构型连续变化时电流的变化，观察到了电流随层间构型周期变化而变化的现象。对石墨烯薄膜的光学性质进行了初步的探索研究，发现石墨烯薄膜是很好的超短脉冲激光器可饱和吸收材料。对乙醇裂解协同产碳纳米管和氢气过程中催化剂的活性进行了研究，实现了对产物品质和成分的调控。对碳纳米管多尺度杂化结构的形成机理及其复合材料性能进行了研究，实现了此杂化结构的形貌可控及其复合材料性能的提高和可调。总而言之，本项目不仅圆满完成既定的石墨烯薄膜的可控制备及其储锂机理等研究内容，并且在石墨烯光学性质及相关碳材料研究方面作了一些有益的尝试，得到了很多有意义的研究成果。