碳纤维复合铜基材料的制备及电化学储能研究

发布时间：2020-04-14 07:01

【摘要】：随着不可再生化石燃料资源的持续开采和消耗,不断地探寻可循环使用和环境无污染的替代能源始终是一个急需解决的科学问题和技术挑战。以潮汐能、风能、太阳能等为代表的一系列可再生类能源,由于其清洁无污染以及取之不尽用之不竭等优势获得了科学家们的广泛关注。然而,该种清洁能源其自身时间性、地域性等复杂多变因素,极大地限制了它们的商业实用化应用。因此,发展一种具有高效转换、存储能力的储能器件迫在眉睫。与此同时,高速发展的信息化时代对于便携式设备需求的急剧增长迫使便携式储能设备具有更为快速充放电、稳健长续航等特性。锂离子电池因其长的循环寿命、高的能量密度、无记忆效应和环境无危害等优点,被视作最有前途的二次电源储能设备。然而目前商业应用的石墨和碳黑等碳基负极材料其有限的储锂能力限制了锂离子电池作为高能量密度动力电池的进一步迈进,极大地制约了锂离子电池储能设备的大型化设施应用。为有效提高碳基负极材料的能量密度,推进锂离子电池作为高能量密度动力电池在混合动力汽车等大功耗设备中的应用。本论文以材料化学、无机化学和电化学相互交叉的锂离子电池为研究对象,侧重于锂离子电池其负极材料研究领域内的瓶颈问题,采用静电纺丝技术从合成机理、成分调控、电化学性能等几个方面探索研究碳纤维复合铜基材料其能量转换与存储性能。针对于碳纤维材料自身容量不足的劣势,结合碳复合工艺来改良过渡金属氧化物基负极材料缺陷的构想,将过渡金属氧化物作为高活性储锂添加材料超均匀的分散在碳纤维骨架中来改性其储锂能力。以此为出发点,主要开展了以下几个方面的研究工作:(1)通过简单易行的静电纺丝技术结合特殊的连续热处理工艺,无需经过牺牲模板和刻蚀活化剂等过程直接合成表层具有泡状界面的碳纳米纤维结构。在合成过程中添加的醋酸铜盐对于合成此种结构具有重要作用,主要分为两个方面。醋酸铜盐经过碳热还原后转变为金属铜,位于界面的金属铜经由蒸发致使纤维表面具有均匀的泡状结构,而处于内部的金属铜作为改善碳纳米纤维的掺杂成分提高了材料的导电性和石墨化程度。将此种结构应用于锂/钠离子二次电池测试中展现出优异的电化学性能,在800 mA g~(-1)的电流密度下900次循环后可逆比容量仍能保持480 mA h g~(-1)(锂离子电池)和160 mA h g~(-1)(钠离子电池)。(2)采用空气预处理的方法,将聚合物纳米纤维材料中部分醋酸铜盐转换为稳定的氧化铜来获取具有氧化铜/铜混掺的碳纳米纤维,经过部分氧化铜的设计引入来进一步提升碳纳米纤维的可逆比容量,其电化学性能方面相较于单一的碳纳米纤维有着显著的提升,良好的锂离子电池性能包括突出的可逆比容量(在电流密度为500 mA g~(-1)下可逆比容量高达572 mA h g~(-1))、优异的倍率性能以及超稳定的长循环性(500次充放电后仍保持99%的可逆比容量)。(3)利用氧化锌高温还原蒸发的特性,成功构筑内部具有均匀分布氧化亚铜/铜纳米颗粒的碳纳米纤维。对比不同摩尔比例的两种金属盐对于获取这种产物结构的差异,在只有满足牺牲材料前体醋酸锌的摩尔量等于或高于醋酸铜时才能够获取该种结构。同时,碳纳米纤维内部氧化亚铜/铜纳米颗粒的尺寸可以利用不同醋酸铜的摩尔添加量加以调控。基于碳纳米纤维良好的骨架结构、处于其内部稳定的金属铜及具有反应活性的氧化亚铜、残留并均匀分散的氧化锌,将材料直接作为集流体用于锂离子电池测试展示出良好的循环稳定性。(4)基于三元过渡金属氧化物高可逆比容量的优势,结合静电纺丝工艺成功实现将高活性材料钴酸铜均匀分散于碳纳米纤维中的复合结构。此种结构相较于本文第四章报道的氧化铜/铜混掺的碳纳米纤维进一步提升了碳纳米纤维的可逆比容量,同时,其电化学比容量可比拟于特殊的高比容量单一钴酸铜结构。在电流密度为200 mA g~(-1)循环400次后,电极的可逆充放电比容量高达865 mA h g~(-1);将电流密度升至400 mA g~(-1),电极在锂离子可逆嵌入/脱嵌测试500次后仍保持785mA h g~(-1)的可逆充放电比容量;当测试电流密度为600 mA g~(-1)时,电极仍具有610mA h g~(-1)的可逆比容量(循环测试800次)。
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二次电池,实际应用

第 1 章绪论的生存和发展建立在整个自然资源基础上，环境和能源这两大右着人类社会的进步。过度的消耗传统化石燃料，其碳、氮、体不仅造成了严重的环境污染，同时其不可再生的固有储量日地制约了现代文明的发展[1, 2]。太阳能、风能、潮汐能等新型能源逐步走进人们的生活来取代化石燃料资源，而其地域性、限制了广泛的商业化应用。因此，研发具有高效稳定的转换、件极具战略意义，成为推动社会进步的先决因素之一[3]。不仅人类恶劣的生存环境，，同时继续促进世界经济稳定快速发展。

密度图,二次电池,质量能,锂离子电池

碳纤维复合铜基材料的制备及电化学储能研究弱、续航寿命长、无记忆效应、环境无害等优势，在便携支配地位[7]。然而，其低的能量密度、短的续航里程、差稳定性等问题在新能源汽车代替传统车辆的战略任务中略新型的电极材料来解决这一现状[8, 9]。子电池概述
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912;TB33

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