聚苯胺包覆氟化石墨正极材料制备及在锂电池中应用

发布时间：2017-08-30 20:17

  本文关键词：聚苯胺包覆氟化石墨正极材料制备及在锂电池中应用

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【摘要】：氟化石墨(CF_x)作为锂电池正极材料,其理论比容量高达865 mAh/g,远远高于目前商品化的锂电池用MnO2材料(理论放电比容量308 mAh/g)。由于Li-CF_x电池具有高低温性能优异、工作电压平稳等优点,因此该电池可被广泛应用于航空航天、军事设备、医疗卫生、可穿戴设备中。但是CF_x的电导率随着含氟量的增加而降低,当x=1时,CF_x的导电性会变得很差,限制了CF_x材料的电化学性能的发挥。为了改善CF_x材料的导电性,论文采用原位化学氧化聚合法,在CF_x表面包覆一层导电聚苯胺(PANI),制得PANI/CF_x复合材料。研究了使用不同氧化剂制备PANI/CF_x复合材料,PANI层厚度对其电化学性能的影响,得到了最优的电化学性能材料对应的包覆层厚度。以此改善材料的放电倍率、放电比容量等电化学性能。本论文的主要内容和结论如下:(1)通过原位化学氧化聚合法,用FeCl_3、H2O2、(NH_4)_2S_2O_8三种不同的氧化剂制备出了PANI/CF_x复合材料(CF_x:苯胺单体=1:1),并对复合材料进行了SEM、TEM和放电性能测试。测试结果表明:随着氧化剂氧化性的提高,表面包覆的PANI层越来越厚,FeCl_3、H2O2、(NH_4)_2S_2O_8氧化剂制得的PANI层厚度依次大约为230 nm、300 nm、360 nm;用FeCl_3氧化制备的复合材料放电性能优于其它两种氧化剂制得的复合材料。(2)为了得到FeCl_3作氧化剂时的最佳PANI层厚度,通过改变CF_x与苯胺单体的配比,用FeCl_3氧化制备出具有不同厚度PANI层的PANI/CF_x复合材料。通过对复合材料进行TEM、放电性能等测试,得到如下结论:CF_x与苯胺单体的质量比等于4:1、2:1、4:3时制得的PANI/CF_x复合材料放电倍率都可达到8 C;0.1 C倍率下放电,放电比容量都在800 mAh/g以上,接近理论比容量;其中CF_x与苯胺单体的质量比等于2:1、4:3时制得的PANI/CF_x复合材料的放电性能最好,结合TEM可得到PAINI层的最佳厚度约为160 nm~180 nm。(3)为了得到用(NH_4)_2S_2O_8作氧化剂时的最佳PANI层厚度,通过改变CF_x与苯胺单体的比例,用(NH_4)_2S_2O_8氧化制备出了具有不同厚度PANI层的PANI/CF_x复合材料。通过对复合材料进行放电性能测试,得到如下结论:CF_x与苯胺单体的质量比等于4:1、8:1、16:1时制得的PANI/CF_x复合材料放电倍率都可达到6 C;0.1 C倍率下放电,放电比容量都在700 mAh/g以上;其中CF_x与苯胺单体的质量比等于8:1时制得的PANI/CF_x复合材料放电性能最好,结合TEM可得到PANI层的最佳厚度约为150 nm~170 nm。(4)通过对第(2)(3)部分制备的PANI/CF_x复合材料放电性能对比分析,用FeCl_3作氧化剂、CF_x:苯胺单体=4:3时制得的PANI/CF_x复合材料放电性能最优,因此选取该复合材料进行组装电池,并与CF_x原材料进行了高低温性能测试,经对比可知,FeCl_3作氧化剂制得的该比例复合材料比CF_x原材料具有更优异的高低温性能。在0.1 C倍率下放电时,电池可在-30℃正常放电,放电平台约为1.91 V,放电比容量可达到657 mAh/g;在100℃放电时,电池的放电平台可达到2.62 V;在0.5 C倍率下放电时,电池最低放电温度为-20℃,放电平台约为1.80 V,放电比容量可达到547 mAh/g;在高温放电时,可在100℃正常放电。论文采用氧化还原聚合法成功在CF_x表面包覆了导电PANI,并且制得的PANI/CF_x复合材料的电化学性能相比于原始CF_x有明显地提升。这为今后我国Li-CF_x电池的商品化奠定了良好的基础。
【关键词】：氟化石墨 聚苯胺 锂-氟化石墨电池 高低温性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332;TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10
• 1.2 锂电池简介10-14
• 1.2.1 锂-二氧化锰电池11-12
• 1.2.2 锂-亚硫酰氯电池12-13
• 1.2.3 锂-二氧化硫电池13
• 1.2.4 锂-氟化石墨电池13-14
• 1.3 锂-氟化石墨电池正极材料研究进展14-19
• 1.3.1 Li-CF_x电池特性15-16
• 1.3.2 Li-CF_x电池放电原理及挑战16-17
• 1.3.3 氟化石墨正极材料改性方法17-19
• 1.4 聚苯胺在电池中的应用19-21
• 1.4.1 聚苯胺结构19-20
• 1.4.2 聚苯胺合成方法20-21
• 1.4.3 聚苯胺与电极材料的复合21
• 1.5 论文的选题依据、研究思路及主要内容21-24
• 1.5.1 选题依据21-22
• 1.5.2 主要研究内容22-24
• 第2章 氧化剂种类对PANI/CF_x电化学性能的影响24-40
• 2.1 引言24
• 2.2 实验药品及仪器24-26
• 2.3 不同氧化剂制备的PANI及其红外光谱分析26-27
• 2.4 PANI/CF_x复合正极材料的制备27-29
• 2.4.1 PANI/CF_x材料的结构设计27
• 2.4.2 PANI/CF_x复合正极材料制备流程27-29
• 2.5 PANI/CF_x复合材料形貌及结构表征29-34
• 2.5.1 PANI/CF_x复合材料的SEM表征29-32
• 2.5.2 PANI/CF_x复合材料的XRD分析32-33
• 2.5.3 PANI/CF_x复合材料的TEM表征33-34
• 2.6 PANI/CF_x复合材料电化学性能34-38
• 2.6.1 电极制备及电池的组装34-35
• 2.6.2 PANI/CF_x复合材料放电性能35-37
• 2.6.3 交流阻抗测试分析37-38
• 2.7 本章小结38-40
• 第3章 FeCl_3氧化制备PANI/CF_x复合材料及其电化学性能40-48
• 3.1 引言40
• 3.2 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料的制备40-41
• 3.3 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料的形貌及结构表征41-44
• 3.3.1 PANI/CF_x复合材料的SEM形貌表征41-42
• 3.3.2 PANI/CF_x复合材料的XRD分析42-43
• 3.3.3 PANI/CF_x复合材料的TEM表征43-44
• 3.4 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料电化学性能44-47
• 3.4.1 PANI/CF_x复合材料放电性能44-46
• 3.4.2 交流阻抗测试分析46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 (NH_4)_2S_2O_8氧化制备PANI/CF_x复合材料及其电化学性能48-57
• 4.1 引言48
• 4.2 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料的制备48-49
• 4.3 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料的形貌及结构表征49-52
• 4.3.1 复合材料的SEM形貌表征49-51
• 4.3.2 复合材料的XRD分析51
• 4.3.3 复合材料的TEM表征51-52
• 4.4 不同包覆比例的PANI/CF_x复合材料电化学性能52-56
• 4.4.1 PANI/CF_x复合材料放电性能52-55
• 4.4.2 PANI/CF_x复合材料交流阻抗测试分析55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第5章 PANI/CF_x电池高低温性能57-59
• 5.1 引言57
• 5.2 高低温放电测试57-58
• 5.3 本章小结58-59
• 第6章 总结与展望59-61
• 6.1 总结59-60
• 6.2 展望60-61
• 参考文献61-67
• 致谢67-69
• 个人简历及在学期间发表的学术论文与研究成果69

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本文编号：761258