石墨烯/MoO2纳米球链复合材料的合成与电化学性能研究

With the recent advances in electronic devices, high storage capacity and high power density materials have attracted considerable interest as alternatives to graphite as the anode material for lithium-ion batteries. MoO2 has been investigated widely as a promising Li-ion battery material because of low cost, high conductivity and more friendly environmental nature than other transition metal oxides. In particular, MoO2 has been suggested as a promising anode candidate for rechargeable lithium ion batteries basically owing to its higher theoretical specific capacity (838 mAh/g) than commercial graphite. At the same time, graphene and its derivative composites have drawn a great deal of research interest for various applications owing to excellent electrical conductivity, mechanical stability, large surface areas. In the project, graphene nanosheet (GNS)-supported MoO2 nanoparticle chains are synthesized by a hydrothermal technique on the current collector of Cu or Al foils. The morphology, crystal structure, defect and interface between MoO2 and graphene of the nanocomposite are investigated by XRD, FESEM, HRTEM, AFM, XPS, Raman, AES, NMR and so on. Their electrochemical performances are investigated by galvanostatic current charge-discharge，cyclic voltammetry,electrochemical impedance spectroscopy. The effeets of preparation conditions on the morphology and microstructure the nanocomposition are studied in order to find the optimum fabrication technique. The relations with microstructure, morphology and electrochemical property of graphene/MoO2 nanoparticle chains nanocomposite are investigated and a model of this relation will be established. We see this project as a scienfic foundation to help development of the Li-ion battery material and to increase the speed of application of nanodevices.

随着环保呼声的日益高涨和能源危机的日趋严重，世界各国正在积极推动锂离子二次动力电池的发展，而寻求高倍率、高容量和低成本电极材料成为研究的关键。本项目选择高电导率MoO2作为研究对象，在集流体上首先旋涂石墨烯薄膜，并以此为基板采用水热法合成MoO2纳米粒子串联成的纳米球链镶嵌在石墨烯片上形成纳米复合材料，研究其形貌、物相、缺陷及碳-MoO2界面结构和电子状态，结合MoO2的晶体结构和化学反应的热力学及动力学原理探讨其生长过程和机理，获得石墨烯/MoO2纳米复合材料的可控生长技术。将该纳米复合材料直接作为电极装配成锂电池进行高倍率高容量电化学储锂可逆性测试，研究纳米球链的尺寸及碳/MoO2质量比等对其大电流储锂性能的影响，实现电化学性能的调控,揭示纳米复合材料的纳米效应和特殊形貌结构导致的独特的电化学性能的本质，建立其微观结构与电化学储锂可逆性之间的关系模型，为其在锂电池的应用提供基础。

随着能源危机的日趋严重，世界各国正在积极推动锂离子二次动力电池的发展，而寻求高容量和低成本电极材料成为研究的关键。本项目选择高电导率MoO2作为研究对象，探索不同实验条件下不同形貌的MoO2纳米粒子的生长过程，分别合成了石墨烯/MoO2纳米棒（颗粒）复合材料、(MoO2/GO)n薄膜复合材料，最终探索出碳修饰MoO2球链的制备工艺，同时本项目研究了这几种C/MoO2纳米复合材料微观形貌与结构以及其电化学性能。主要研究成果如下：. 1. 通过改变水热时间获得了MoO2纳米棒的自组装生长过程，并用石墨烯修饰产物极大的提高了MoO2纳米棒的电化学储锂能力，其首次充放电容量由49和112 mA h g -1分别提高至1242和1289 mA h g -1。. 2. 由于纳米颗粒在生长的过程中，有可能形成纳米球链，因此本项目采用两种方法（一次水热和二次水热法）制备石墨烯/MoO2纳米颗粒复合材料。一次水热法合成的复合材料中，石墨烯作为基底构建了一种良好的导电网络，为锂离子和电子传输提供了快速的通道，并且维护了材料的结构稳定性。在100 mA g-1时，首次循环放电比容量是817.6 mA h g-1。二次水热法合成的复合材料将MoO2纳米颗粒的首次充放电容量分别从321和503 mAh g-1提高至584和1618 mA h g-1，20次循环后，充放电容量保持在1253和1249 mA h g -1。同时，第5次循环后容量保持率接近100%。. 3. 以MoCl5和葡萄糖（模板剂和碳源）为原料，采用水热法直接制备出碳修饰的MoO2球链。在水热过程中，葡萄糖结构异变并脱水缩合形成高聚物后形成碳核，碳核生长形成表面有丰富活性基团的碳球链，这些基团通过氢键的作用吸附MoCl5的水解产物，最终合成出碳和MoO2的复合物。热处理能减小球链中微球的尺寸，提高MoO2的结晶性，从而将首次放电容量有251 mAh g-1有效提高这种复合物的电化学性能。. 4. 采用电化学沉积法和Dip-coating法在金属钛基板上制备“三明治”结构的MoO2/GO薄膜材料，热处理后得到均匀分布在钛基板表面上的MoO2纳米晶粒，无需任何粘结剂直接作为锂离子电池负极时表现出优异的电化学性能，当沉积时间为1 min，沉积次数为2次时表现出最优性能，其首次放电比容量高达1250