钴基石墨烯复合负极材料同步水热制备过程特性及其嵌脱锂机理研究

石墨烯材料具有优异的电子传导性和柔韧性，将它应用于锂离子电池复合材料中，不仅可以增加复合材料的电导率，还可以抑制复合材料的体积效应。而钴基化合物具有较高的嵌锂容量。本课题通过同步水热法制备出钴基石墨烯复合材料（石墨烯-氢氧化钴，石墨烯-氧化亚钴）,研究其制备过程特性，充分利用石墨烯与钴基化合物的协同效应，实现优势互补。通过对石墨烯-氢氧化钴复合材料充放电过程的原位XAFS和XRD测试，研究其电化学嵌脱锂过程机理。深入研究温度对钴基石墨烯复合材料的本体导电性、锂离子扩散能力及电化学嵌脱锂过程的影响，弄清制约钴基石墨烯复合材料高低温充放电性能的主要因素。选择合适导电聚合物（聚吡咯, 聚(3，4-二乙烯-二氧噻吩)）包覆钴基石墨烯复合材料，使复合材料具有良好的高低温性能，并阐明导电聚合物包覆对钴基石墨烯复合材料电极/电解液界面电荷传递过程的影响和作用机制。

石墨烯，作为一种最近发现的具有一系列非凡性质的碳基材料，在储能材料领域已经吸引了世界范围的关注。钴基化合物具有较高的嵌锂容量，可以用于作为锂离子电池负极材料。本课题通过同步水热以及同步溶剂热法制备出各种钴基石墨烯复合材料（氢氧化钴/石墨烯，氧化亚钴/石墨烯，羟基氯化钴/石墨烯）,并研究其制备过程特性，充分利用石墨烯与钴基化合物的协同效应，实现优势互补。项目取得良好成果。..在本研究中，为了阐明通过同步水热合成法制备的石墨烯-氢氧化钴复合材料循环过程中的电化学嵌脱锂过程机理，我们对其进行了充放电过程的非原位 XAFS 和原位 XRD 测试。基于实验测试结果，我们提出了两个充放电机理的假设。..采用同步水热结合高温烧结法制备了高性能锂离子电池负极材料氧化亚钴/石墨烯复合材料。采用XRD及TEM等手段对氧化亚钴/石墨烯复合材料结构和形貌进行表征，并对其电化学性能进行测试。结果表明，氧化亚钴/石墨烯复合材料的电化学性能明显优于纯氧化亚钴。..当前制备石墨烯基复合材料的主要问题在于，如何在制备过程中有效地减少石墨烯片层的团聚和堆叠，以完全利用单片石墨烯的独特性能，并且充分发挥石墨烯与其他组分之间的协同效应。因此，目前急需开发新型的三维石墨烯基复合材料以保持石墨烯的网络结构。在本项目中，一种简单，但有效并且可控的溶解热战略被提出以开发各种石墨烯基块体材料。通过使用一种一步，原位生长，溶剂热方法，我们成功制备适用于锂离子电池负极的三维自组装的氧化亚钴/石墨烯复合材料。研究结果表明，这种三维氧化亚钴/石墨烯复合材料在高电流密度下有着优异的循环性能及倍率性能。更重要的是，我们的研究广泛适用于在各种溶剂中制备一系列三维石墨烯基块体材料，并且因此将推动石墨烯基储能材料的研究。..我们通过一步原位同步水热方法制备了一种新颖的适用于锂离子电池负极的羟基氯化钴/石墨烯复合材料，这种材料具有优异的电化学性能，包括非常好的循环稳定性及倍率性能。这些性能可以被归因于石墨烯与羟基氯化钴两种组分间良好的协同效应。