摘要
由于大量使用化石燃料，环境问题变得越来越严重，这迫使社会减少对化石能源的依赖并开发新型清洁能源，例如水力发电，地热能和太阳能。但是，这些新能源是间歇性和不稳定的，需要先通过电化学储能系统（EESS）进行存储，然后再馈入电网。因此，需要一种具有高能量密度，高效率，良好的循环性能和低成本的EESS来存储这些能量。锂离子电池（LIB）作为一种高效的EESS，自二十世纪90年代以来已被广泛使用，但不幸的是，锂的储备和安全问题限制了它们的未来发展。与锂相比，铝金属具有更高的体积比容量（铝的8050mAh/L与锂的2080mAh/L）和相当的质量比容量（铝的2980mAh/g与锂的3860mAh/g）。此外，铝具有丰富的储备且不易燃。这赋予铝离子电池（AIB）低成本，高安全性和潜在的高比能量的特性。因此，AIB成为了一种理想的储能系统。 在最近几年，铝离子电池一直都广受关注，并且已经对此进行了大量的研究。但是，AIB的研究进展一直受到正极材料的制约，因为目前用于铝离子电池的正极材料普遍存在容量低，循环性能差等问题。石墨基的碳材料因为其出色的导电性和层状结构已经被广泛应用于各类二次离子电池中，而石墨类材料在AIB也表现出优异的稳定性，但是容量一直不尽人意。将石墨类材料和其他材料进行复合，是提升材料性能的一个重要方式，本文通过将三维的多孔石墨烯和导电聚合物，醌类有机物进行复合，获得高比容量，优异循环稳定性的AIB正极，并通过调控复合比例，制备条件等，进一步提升了复合材料的性能。 本文首先利用CVD沉积法制备了具有高比表面积的多孔石墨烯（PG），通过改变沉积时间得到了不同结构的多孔石墨烯，并且选择出了最适合于铝离子电池的形貌结构，将其作为复合材料基底和聚苯胺（PANI）和蒽醌（AQ）进行了复合，得到复合材料的最优配比。对复合材料的电化学性能进行表征，42-PANI/PG复合材料具有最佳的电化学性能，在100mA/g电流密度下，初始放电比容量值约为80mAh/g，100次循环后，放电比容量逐渐增大到最大值140mAh/g，经过800次循环其容量仍旧能够达到100mAh/g；将电流密度提升至500mA/g，初始放电比容量为45mAh/g，经过500次循环后能稳定在80mAh/g。AQ/PG正极材料在100mA/g电流密度下，100个循环后比容量能够稳定在80mAh/g。相比于单纯的材料，复合材料表现出有更高的比容量及更优良的循环性能。 复合材料性能提升的原因在于：1.大比表面积的多孔石墨烯具有超级电容器的双电层储能机制，能够对容量有所贡献；2.丰富的孔道结构不仅构筑高速的离子传输通道，而且形成了相互连接的导电网络，能够增强材料的导电性；3.多孔石墨烯能够作为结构支撑，限制材料体积膨胀和活性物质流失的问题。结果证明，设计制备多孔石墨烯复合材料，进行结构调控，通过协同增强机制，解决了目前材料容量低、导电性差、反应过程中体积变化和活性物质流失导致的循环性能降低的问题，提升了材料的电化学性能，为铝离子电池高性能正极材料的开发提供了思路。
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