一氧化锰-碳基柔性复合膜负极材料的制备及其在锂离子电池中的应用

发布时间：2020-03-28 01:08

【摘要】：锂离子电池柔性薄膜电极的开发对于便携式电子设备(智能通信、可穿戴设备等)是具有非常重要的意义。但是,目前制备出具有长循环寿命和高比容量的柔性商用电极仍然是一个巨大的挑战。其中一氧化锰(MnO)由于其较高的理论比容量(756 mAh g~(-1))、较低的电动势(1.032V vs.Li/Li~+)、电压滞后小、成本低、环保以及自然丰富度高而引起了人们广泛的研究兴趣。然而,MnO材料最大的问题是它们能够与锂反应形成金属Mn单质(分散在Li_2O基体中),从而在循环过程中出现严重的团聚与体积变化,导致整个MnO电极的剧烈粉化,从而引起Mn单质脱落后溶解到电解质中,致使容量快速衰减。为了克服这些问题,本工作将使用静电纺丝和电喷雾技术连用的方式,制备了锰氧化物/碳纳米纤维@还原氧化石墨烯复合膜电极(MnO/CNFs@rGO)、MnO/C@rGO复合膜以及核-壳型MnO/C纳米纤维复合薄膜,并研究了这些膜电极在锂离子电池中的应用。复合膜材料中MnO颗粒、纳米纤维及石墨烯片通过点面线相互作用构建导电网络,显示了良好的电化学性能及一定的应用性。具体研究结果如下:1,采用静电纺丝和电喷雾技术连用制备了锂离子电池的三维复合膜电极(MnO/CNFs@rGO)。研究发现,获得的薄膜电极中,其二维还原石墨烯片分散在一维MnO/CNFs纳米线中。通过以金属锂为对电极,组装锂离子模拟电池,研究发现,该复合膜电极在0.1 A g~(-1)下表现出1118 mAh g~(-1)的高放电比容量,然后在80次循环后再回到0.1A g~(-1)时,其容量保持率仍高达98%。即使在高倍率5 A g~(-1)的电流密度下,复合膜电极在3000次循环后仍能保持574 mAh g~(-1)的高可逆容量,库仑效率为99%。2,利用静电纺丝和电喷雾连用技术制备了锰氧化物/碳纳米纤维@还原氧化石墨烯复合膜电极(MnO/CNFs@rGO)柔性复合膜电极材料。研究表明,所制备的膜电极中CNFs/MnO纳米线分散在2D还原的氧化石墨烯(rGO)片上得以构建出3D柔性复合膜材料,从而形成稳定的自支撑结构。所制备出的薄膜电极材料也展现出了较好的电化学性能:在0.1 A g~(-1)的电流密度下表现出1.148mAh g~(-1)的可逆容量,在5 A g~(-1)的电流密度下循环4,500次之后,其电极比容量仍然保持在332 mAh g~(-1)。更有意义的是,复合膜电极材料中锰源来自废旧电池中回收的二氧化锰产品。这项工作也展示了一种潜在利用废弃Zn/Mn O_2电池中的二氧化锰应用于锂离子电池中的价值。3,采用高压静电纺丝技术,主客体分子相互作用及自组装制备了双碳层MnO复合柔性薄膜电极(Mn/PAN/β-CD)。研究发现β-CD的内腔能够很好的包覆锰离子,且自发包覆在以PAN为骨架的纳米线上,所制备的双层碳结构中β-CD很好的抑制了锰离子的团聚以及最后得到分散均匀且颗粒尺寸较小的MnO颗粒。其模拟电池测试表明,该复合膜电极中表现出了高的可逆容量(在0.1A g~(-1)时比容量为1025mAh g~(-1)),优异的倍率性能(在5Ag~(-1)时比容量为376mAh g~(-1))和优良的循环性能(在1A g~(-1)的电流密度下循环800次后其比容量仍为844mAh g~(-1))。这种优异的电化学性能赋予了复合薄膜材料作为锂离子电池负极材料的潜力和重要的商业价值。
【图文】：

示意图,锂离子二次电池,工作机理,正极

绪论树脂类（Celgard2300）。离子电池的反应过程为氧化还原反应。以钴酸锂为正极，石墨为负极为极反应式如图 1.1 中（1-1）、（1-2）和（1-3）：正极反应：LiCoO2 Li1-xCoO2+ xLi++ xe-(1负极反应：6C + xLi++ xe- LixC6(1-电池反应：6C +LiCoO2 Li1-xCoO2+ LixC6(1

示意图,碳材料,石墨,示意图

例如，引入多个碳五元环结构，石墨烯则会变如果将单层片状石墨烯卷曲则会形成一维的碳纳米管[26]，如图烯作为一种新型碳材料，石墨烯的超高的理论比表面积为 260率、导电性等，这些优良的性质很快得到了广泛的应用，特别、超级电容器等领域。石墨烯作为负极材料表现出优秀的储存ong 等利用改进的 Hummers 法制备出氧化石墨烯作为锂离子 0.2 mAcm-1电流密度下，，首次放电比容量为 1233 mAh g-1能保持 502 mAh g-1 [30]。但石墨烯作为锂离子电池负极材料还）电解液在电极材料表面反应形成 SEI 膜导致首次较大的不可效率；（b）较大的比表面积，导致表面形成的 SEI 膜热稳定性隐患；（c）电压滞后大，且输出电压低，因此导致容量的可量密度低。该新型材料单独使用在锂离子电池电极领域是要面但由于其具有优异的导电性，作为电极材料的导电剂是发挥自[32]。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB383.2

【参考文献】