基于钴酸镍纳米复合材料的控制合成及其性能研究(2)
太阳能是人类祖先最先开始使用的清洁能源，除了零污染，它还具备取之不尽、用之不竭的优秀特点。但由于太阳能具有明显不连续性的缺点，所以不能高效的利用，故寻求合适的能源储备装置（电池）将十分重要。而有着电压高、能量密度大、循环性能优异及无记忆效应等显著优点的锂离子电池，它作为新一代的绿色高能充电电池，已经成为对当今社会和人民生活具有重要意义的新型产业[2]。但高性能的锂离子电池的应用，也意着我们对高性能的电极材料的迫切需求。
而近年来，伴随着纳米碳材料的迅速崛起，高性能电极材料呈井喷式的出现，并逐渐在社会生活中得以应用。而作为纳米碳材料家族的新兴成员——石墨烯，特殊的理化性能及其独特二文纳米结构使其在理论科学和实验科学上都受到了极大的关注。也正是因为这些特点，使得它能够在光子传感器、纳米电子器件、光催化、晶体管、锂离子电池、触摸屏及超级电容器等众多领域中有着十分广泛的应用[3]。
1.1 石墨烯简介
石墨烯是一种新型二文碳材料，它的厚度只有一个碳原子（约为0.35nm），是世界上目前已知最薄的二文材料；正是因为吹冰角型呈蜂巢晶格[4]的这种独特结构(如图1.1所示)，石墨烯表现出很多优异的物理及化学性能。例如，石墨烯的强度是目前已测试材料中最高的，可以达到130 GPa，是钢机械强度的100多倍[5]。它的载流子迁移率可达15000cm2•V-1•s-1[6]，是目前已知的最高迁移率的锑化铟材料的两倍，而且在特定条件下（低温骤冷），其载流子迁移率可达250000cm2•V-1•s-1[7]，是目前商用硅片迁移率的10倍多。且它的热导率可达到5000W•m-1•K-1，是金刚石的3倍多[8]。同时石墨烯还具有室温铁磁性[9]及室温量子霍尔效应[10]等特殊性质。
图1.1 石墨烯的结构
石墨烯具有大的比表面积，优异的导电性及高机械强度的优点，同时石墨烯的成本低廉，可加工性好，这些优点都将使石墨烯在电子、能源、信息、材料及生物医药等领域有着很大的应用前景；而近几年，人们在积极地探索石墨烯的制备，已经成功的发展了机械剥离，化学氧化，化学气相沉积及有机合成等方法[11]。
1.2 氧化石墨烯制备
作为石墨烯的一种重要衍生物——氧化石墨烯，它的结构与石墨烯基本类似，不同的是，氧化石墨烯在二文基面上连接着一些羰基、羧基等含氧官能团，因而氧化石墨烯也被称作为功能化的石墨烯。图1.2是氧化石墨烯和石墨烯的制备流程图。目前，制备氧化石墨烯的方法主要有三种，分别是Staudenmaier 法，Brodie 法以及Hummers法；其中Hummers法因为具有反应简单，反应时间短，氧化程度可控等优点而被普遍使用[12]。
Hummers法：主要是采用浓硫酸加硝酸钠体系，实验体系以KMnO4为氧化剂，实验反应的过程主要可分为三个阶段，分别为低温（4℃以下）反应，中温（35℃左右）反应及高温（98℃以下）反应；与前两者相比较，该法用高锰酸钾替代了氯酸钾，提高了实验的安全性，降低了有毒气体的排放。同时Hummers法的反应时间较短，且实验产物的氧化程度较高，结构规整[13]。
图1.2 氧化石墨烯及石墨烯的制取方法
1.3 锂离子电池简介
近几年来，由于化石能源的紧缺及人们环保意识的提升，人类对清洁可持续能源的开发和利用不断取得进展，太阳能，风能，潮汐能已不断为人类所利用，但因其间歇性问题，人类开发了多种新的能量转换和储存系统，主要有氢燃料电池、锂离子电池、太阳能电池及超级电容器等[14]。而锂离子电池因其高电压、大能量密度、优异的循环性能及无记忆效应等显著优点，已生活中的各行各业里得以广泛应用。
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