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石墨烯+粉末鎳基高溫合金&鋰離子電池

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-12  作者:中國碳谷網  瀏覽次數:590
核心提示:石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,鍵長為0.141nm,厚度0.334nm,是一種單個原子層
 石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料,鍵長為0.141nm,厚度0.334nm,是一種單個原子層厚度的準二維材料。

石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa,理論拉伸強度為130GPa,是目前已知的最強材料。它最堅硬最輕薄,具有超大比面積,并且透明,具有超高熱導,是一種 革命性的材料,在能源,物理化學,材料學,電子信息,計算機和航空航天領域成為研究熱點。


采用粉末冶金工藝制備的鎳基高溫合金材料,合金化程度高,晶粒細小,組織均勻加工性能好,具有優異的高溫強度,良好的抗氧化性和抗熱腐蝕性能,良好的疲勞性能斷裂韌性,是先進高推重比航空發動機渦輪盤等的理想材料。但隨著對航空發動機高推重比,高涵道比的需求增加,鎳基高溫合金逐漸達到使用極限。而石墨烯因其優異物理性質和力學性能作為材料增強體的研究不斷深入,亟待開發一種石墨烯增強粉末高溫合金新型材料。


但石墨烯金屬基復合材料也存在一些如下的突出問題:


為了解決石墨烯金屬基復合材料存在的問題,高宇曦師兄為我們講解了他在研究過程中,有關石墨烯增強粉末高溫合金擬解決的問題:


師兄對石墨烯添加之后的實驗結果進行了分析,觀察了合金的掃描電子顯微圖像,分析了P-FGH96-GNSs合金界面TEM,P-FGH96-GNSs合金納米CT,測量了石墨烯增強FGH96合金顯微硬度,最終得出結論:PVA修飾FGH96合金是一種切實可行的制備方法,石墨烯作為超細顆粒增強基體,能提高改性合金的強韌性。石墨烯二維薄膜結構形態和褶皺結構特征與基體形成良好的結合界面,結合界面有效防止位錯轉移和裂紋擴展,從而提高改性合金的強度及裂紋擴展性能等結論。


水熱法制備NiFe2O4電極材料在鋰電池中的應用

主講人:叢龍達

指導老師:張世超教授

叢龍達師兄首先為我們介紹了鋰離子電池的原理及特點:


接著叢龍達師兄介紹了目前常用的三種負極材料及其研究現狀:


結合鋰電池電極材料的背景,師兄最后選擇對環境友好,成本低廉的NiFe2O4材料來進行研究,目標是制備出長循環壽命、高循環容量的新型NiFe2O4負極材料。由于鋰離子擴散率低,鋰化和脫鋰時產生體積變化仍然較大,導致電池的容量低、循環穩定性差等存在的問題,提出以下解決方案:


介紹完論文選題背景和研究目標及內容之后,叢龍達師兄詳細的給同學們講解了他的實驗過程和數據分析。師兄的研究過程主要包括以下內容:

1、分別采用水熱法和微乳液法制備新型NiFe2O4負極材料;

2、對制得材料進行形貌和物相表征;

3、將材料按照特定工藝涂布成極片;

4、裝配紐扣電池;

5、對電池進行CV曲線,充放電循環等電化學性能測試;


水熱法制備過程


樣品制備成功之后,觀察了水熱法制備樣品的SEM圖,能明顯的看出MnFe2O4樣品為簇狀,顆粒之團聚明顯,顆粒直徑為2μm左右。又對水熱法制備樣品進行了電化學測試,最后得出結論:

用水熱法合成出的該材料具有一般的形貌外觀和較好電化學性能;從SEM表征中可以看出,水熱法合成的樣品具有微米級的直徑,且呈現簇狀狀態;電化學測試結果表明NiFe2O4的第一次循環中,可以觀察到比較高的容量(1222mAh/g),但是在50次循環后容量迅速下降至200mAh/g;此類電極循環穩定性差的原因可能是由于在電池反應后期活性材料的粉碎、體積膨脹大;通過改進的微乳液法對材料性能進行改進。

微乳液法的制備過程


對微乳液法制備樣品進行物相分析、形貌表征和電化學測試,得到了如下結論:

多孔一維結構中,NiFe2O4具有超長的循環壽命和優異的速率能力,在100 mA/g的電流密度下200次循環仍能保持630mAh/g以上的容量。這項工作說明了微鏈狀NiFe2O4材料具有作為高容量鋰離子電池負極的潛力;優異電化學性能可能是由于一維棒狀多孔結構的均勻分布。豐富的空隙有利于電解質擴散,從而使得電極材料與電解液更好接觸;相鄰顆粒間的空間可以容納活性物質的體積膨脹;納米尺寸顆粒構成的一維結構不僅可以為Li+儲存提供額外的活性位點,而且可以有效減少Li+擴散的路徑長度。

(素材來源:航小材 ,4月11日博士宣講會)


 
 
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