金属氧化物/石墨烯复合电极材料微观结构与电化学性能机理的同步辐射研究

Owing to its unique structure as well as novel physical and chemical properties, graphene holds many promising applications in energy harvesting and storage devices. To expand the applications of graphene-based electrode materials in lithium-ion batteries, anchoring metal oxides to graphene is expected to be an effective and pratical method, which combines the advntages of both graphene and metal oxides as active materials for improving the electrochemical performances, and to lower or even solve the current electrode problems of the individual component of graphene or metal oxides as active materials.Therefore, we aim to systemically to investigate the microstructures of metal oxide/graphene composites by synchrotron radiation-based X-ray absorption spectroscopy techniques, especially the interfacial interaction of metal oxides and graphene. Combined with corresponding electrochemical studies, the relationship as well as mechanism between microstructure and electrochemical property would be built. This work will provide important factors for the design and fabrication of excellent metal oxides/graphene composites for lithium-ion batteries, and the insights is essential to the development of graphene-based composites in the energy field.

石墨烯由于其独特的结构和物理化学性质在能源转化和储存领域具有良好的应用前景。为了进一步提高石墨烯基锂离子电池负极材料的储能应用，通过引入金属氧化物实现对石墨烯的功能化，不仅可以克服传统材料的缺点，还可以有效的提高材料的电化学性能。本项目拟以利用同步辐射X射线吸收谱学技术研究金属氧化物/石墨烯复合材料的微观结构，特别是材料中的界面相互作用情况，同时结合其电化学性能，深入分析微观结构对电化学性能的影响规律，明确其中的相互作用机理。通过对微观结构与电化学性能关系的探索，为高性能金属氧化物/石墨烯复合材料的设计和合成提供实验依据，对拓展石墨烯基复合材料在能源领域中的应用具有重要的指导意义。

由于具有理论容量高、性价比高以及环境友好等特点，金属氧化物材料被认为是一类很有前景的锂离子电池负极材料。然而，金属氧化物在充放电过程中体积变化大，容易造成电极粉碎和脱落，导致电池性能快速衰减。为解决这些问题并推进该类材料的应用，我们对金属氧化物材料进行了改性，并利用同步辐射X射线吸收谱学技术研究元素掺杂、材料添加以及多元复合对材料局域结构、界面相互作用的影响及其与电化学储锂性能之间的关系，明晰其中的作用机理，主要开展了以下研究工作：（1）通过简单的湿化学方法合成铁掺杂二氧化锡/石墨烯（Fe-SnO2/rGO）复合材料，X射线吸收谱学研究发现Fe掺杂不仅可以增强SnO2与石墨烯之间的界面相互作用，提高材料的电导率，而且还能够对Sn与SnO2的转化反应起到催化作用，因此Fe-SnO2/rGO材料在0.1 A g-1的电流密度下循环100圈后依旧具有1353 mAh g-1的比容量，甚至在1 A g-1下也还能够保持691 mAh g-1的比容量；（2）通过共水解方法合成了硅掺入的二氧化锡/石墨烯（Si-SnO2/rGO）复合材料，X射线光电子能谱研究发现硅的掺入会在SnO2基体中形成Si-O-Sn键，同时还能增强SnO2与石墨烯之间的Sn-O-C键，这些将会有效的提高材料的结构稳定性和电子/离子传输能力，促进Sn-SnO2的高效转化，因此Si-SnO2/rGO电极材料在0.1 A g-1的电流密度下循环100圈后依旧具有1117.8 mAh g-1的比容量，且在1 A g-1的电流密度下依旧具有683.9 mAh g-1的比容量；（3）将氧化硼添加到二氧化锡/石墨烯（SnO2/rG）材料中，可以增强材料的电导率，加快电子/离子的传输，因此添加后的SnO2/rG材料表现出了优秀的电化学性能，在0.1 A g-1的电流密度下经过200圈循环之后其比容量依旧能够保持在1084.7 mAh g-1；（4）研究了二茂铁添加对二氧化锡/石墨烯材料电化学性能的影响，实验结果发现当二茂铁与SnO2/rG的配比质量为1：9时，材料表现出了最好的电化学循环稳定性，在0.1 A g-1的电流密度下经过180圈循环之后其比容量依旧高达1104.4 mAh g-1。这些研究为高性能金属氧化物/石墨烯电极材料的发展和应用提供了实验借鉴和理论参考。