复合电极材料的制备、表征和储电机制的研究

发布时间：2020-09-12 20:03

　　超级电容器与锂离子电池是目前主流的电化学储能器件,但二者又分别具有各自的特点。超级电容器的优势在于充放电速率快、高功率密度与长循环寿命,但能量密度较低;锂离子电池通常具有很高的能量密度,但寿命较短。随着便携式电子设备、电动汽车等领域的需求不断增加,开发高性能的锂离子电池与超级电容器是非常迫切的,对于这两种电化学储能器件其核心都是电极材料,因此开发新型电极材料并设计合理的电极结构,研究其储能机理,对于提高电极性能是很有必要的。本文主要研究内容如下:1.以电沉积法在泡沫镍基底上沉积MnO2,然后在其表面原位电聚合导电高分子PEDOT-PSS,形成复合结构材料,研究不同聚合时间包覆的导电高分子层对复合电极电化学性能的影响。通过电化学测试可知,电聚合10 s得到的PEDOT-PSS包覆的MnO2(P-MnO2-2)复合材料的比容量最高为346.5F/g,是MnO2电极(179.1 F/g)的1.9倍,在6 A/g大电流密度下仍具有223.5 F/g的比容量,且循环稳定性比较好。最后使用KOH凝胶固态电解液,组装成柔性对称型超级电容器。2.将高性能介孔石墨烯与炭黑颗粒复合作为导电剂添加到层状LiNi1/3Co1/3Mn1/302(NCM)材料中,并与常规导电剂对比。添加有石墨烯/炭黑导电剂(SG)的NCM电极在2000 mA/g电流密度下的放电比容量为78 mAh/g,是使用炭黑/导电石墨导电剂的电极的1.7倍。EIS结果也表明,添加了 SG导电剂的NCM材料相对于使用其它导电剂的电极具有较小的电荷转移阻抗。我们也采用原位XRD实时观察使用SG导电剂的NCM电极在首次充电过程中的结构演变过程,在截止电压为4.3 V时,层状NCM存在一个从六方相层状H1到H2的完全相转变过程;(0 1 8)/(1 1 0)这对峰逐渐分离,表示锂离子从层状NCM材料中的脱嵌。3.采用内部并联的方式将电容型材料活性炭(AC)与电池型材料NCM形成双功能电极,与NCM电极和AC电极相比,双功能电极既能保持电池材料的高容量,也可以拥有AC材料高倍率性能的特点。在2000 mA/g电流密度下,放电比容量为57.1 mAh/g,远高于NCM电极和活性炭电极。进一步将双功能电极与预嵌锂的软碳负极组装成多片软包电池,基于整个器件质量计算,最高能量密度可达52.8 Wh/kg,功率密度最高为9.3 kW/kg,10C电流下2000周循环后容量保持率为84%,由此可以看出双功能电极在新型高性能储能器件上的应用是非常有前景的。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O646.54;TB33
【部分图文】：

锂离子电池,外包装,工作原理,材料

逦２００逡逑Ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋ｅｎｅｒｇｙ邋（Ｗ邋ｈ邋ｋｇ＊１）逡逑图１．３．１不同二次电池的质量功率密度和能量密度分布图１５４１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３．１邋Ｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ邋ｐｏｗｅｒ邋ａｎｄ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ邋ｆｏｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ１５＊＇１逡逑１．３．１锂离子电池的工作原理逡逑锂离子电池技术最早是由索尼公司在１９９０年开始商业化的，以锂离子插入逡逑型复合物为电极正极材料，通过锂离子来回穿梭于正负极之间的电解液，在两个逡逑主体材料之中完成嵌入／脱出过程，来实现能量的存储与传递。图１．３是以石墨为逡逑负极，锂插入型复合物为正极的锂离子电池工作原理的示意图｜５４１。总反应方程逡逑式可以用式子１－１表达｜５５），其中Ｍ表示的是金属，Ｃ表示的是碳材料。逡逑ＬｉＭＯｘ邋＋邋Ｃｎ邋＾邋Ｌｉｉ．ｙＭＯｘ邋＋邋ＬｉｙＣｎ逦（１－１）逡逑在充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，经过电解液后嵌入到负极材料屮，逡逑电子通过外电路从正极流到负极？

测试图,拉曼谱,拉曼

我们分别将对应产物命名为Ｐ－Ｍｎ０２－１，Ｐ－Ｍｎ０２－２。逡逑３．３邋Ｍｎ０２／ＰＥＤ０Ｔ－ＰＳＳ复合材料电极的结构与形貌特征逡逑Ｍｎ０２／ＰＥＤ０Ｔ－ＰＳＳ复合材料的结构类型是通过拉曼测试确定的，图３．１是逡逑Ｐ－Ｍｎ０２－２的拉曼测试图谱结果。可以看出，在４９５、５６７和６４０邋ｃｍ＿ｌ处的拉曼逡逑位移来自于文献报道过的水钠锰矿类型－Ｍｎ０２，在６４０邋ｃｒｒＴ１处的拉曼位移是逡逑Ｍｎ０６基团中Ｍｎ－Ｏ键的对称伸缩振动，５６７ｃｍ＿１是Ｍｎ－０键的在平面内伸缩振逡逑动１１0１，１0２｜。在５７８＾＾处有一个宽峰是ＰＥＤＯＴ的Ｃ－Ｏ－Ｃ键的变形造成的；８５０逡逑ｃｎ＾１的峰来源于０－Ｃ－Ｃ键变形，环氧乙烯的变形导致在９８５邋ｃｍ—１处出现一个小逡逑宽峰；在１４４０0１＾处的强峰来自于ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ中Ｃ＝Ｃ对称伸缩振动，１５０５邋ｃｒｒＴ１逡逑处的峰来源于Ｃ＝Ｃ不对称伸缩振动［１（）３，邋１０４］。拉曼实验结果表明成功的在泡沫镍逡逑上沉积了邋Ｍｎ０２与ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ复合材料。逡逑２４００邋ｆ逦＇—￣逡逑—－Ｐ－Ｍｎ0２－２逦１

电化学性能,复合材料

３．４邋Ｍｎ０２／ＰＥＤ０Ｔ－ＰＳＳ复合材料电极的电化学性能表征逡逑我们采用三电极体系对复合材料的电化学性能进行了表征，电解液采用０．５逡逑Ｍ邋Ｎａ２Ｓ０４溶液。Ｍｎ０２／ＰＥＤ０Ｔ－ＰＳＳ复合材料的循环伏安曲线如图３．６ａ和３．６ｂ逡逑所示，窗口电压设置的是在０－０．８邋Ｖ之间。在５邋ｍＶ／ｓ扫速下（图３．６ａ），可以逡逑看出Ｍｎ０２与Ｐ－Ｍｎ０２的ＣＶ曲线都呈现类似矩形的形状，但由于赝电容效应，逡逑都有所偏离理想矩形。包覆ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳ之后，ＣＶ曲线的面积都有所增加，其逡逑中Ｐ－Ｍｎ０２－２所围的区域面积最大，表明其电容储能特性最为优异。在１00邋ｍＶ／ｓ逡逑扫速下（图３．６ｂ），三者ＣＶ曲线都有所变形，但是相比较而言，加入ＰＥＤＰＴ－ＰＳＳ逡逑后变形程度较低，说明包覆导电高分子可以有效提高材料的倍率性能。同时，我逡逑们也对Ｍｎ０２／ＰＥＤＯＴ－ＰＳＳQL合材料进行了丨ｉ（电流充放电测试，如图３．６ｃ所示，逡逑在０．５Ａ／ｇ的屯流密度下

【参考文献】