石墨烯基锂—有机物电池电极材料制备及电化学性能研究

发布时间：2017-04-03 01:10

  本文关键词：石墨烯基锂—有机物电池电极材料制备及电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂-有机物电池是一种新兴二次电池,相较于传统的锂离子电池使用的无机材料,有机材料具有理论比容量高、结构多样、原料资源丰富、环境友好、成本低等优点,在便携式电子设备、新动力交通工具等技术飞速发展的今天,有机材料在储能器件领域极具发展潜力。然而,由于大部分的有机物是不导电的绝缘体,在电池充放电循环过程中反应产生的副产物较多,有机物锂盐极易溶解于有机电解液中造成活性物质的流失等问题限制了锂-有机物电池的研究进展以及在实际中的应用。本课题在研究有机物在锂电池中的电化学性能的基础上得出锂有机物电池电化学性能衰减迅速的几个重要原因,从而针对问题本质探索改善其性能的方法,从电化学测试数据分析实验方法成功提高了有机物的电化学循环稳定性。实验首先选取SAD、NAD、NTCDA和PTCDA这四种有机酸酐类材料作为活性物质应用于锂电池正极材料。通过对材料在充放电前和充放电过程中的恒流充放电测试、循环伏安测试、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、FT-IR红外光谱等测试和分析手段,分析得出:有机活性物质在锂电池中容易溶解于电解液中造成正极材料的损失;分子量最小的有机物丁二酸酐(SAD)更容易发生溶解,从第一圈放电比容量217mAh/g(理论容量的80%)第二圈衰减至56mAh/g,而在5圈之后放电比容量迅速衰减并稳定在23mAh/g。而分子量最大的傒四甲酸二酐(PTCDA)100圈电化学循环后其放电比容量从初放的130.8 mAh/g(理论容量的95%)缓慢下降到86 mAh/g。根据SEM表征结果分析,电池锂片上的沉积物越多,有机物电化学性能越差;在恒流充放电过程中产生的有机锂盐溶解于电解液中发生穿梭效应穿过电池隔膜沉积在负极锂片上,极大影响了锂片的利用率。在此基础上,设计制备了一种有机物-石墨烯复合材料作为锂电池正极材料,其中化学改性的石墨烯片经试验证明具有良好的电子导电性,其独特的层状结构为有机物提供了电子运输通道,在层状结构中还存在着丰富的交联的孔洞结构更有效地阻碍了有机物及其反应产物有机锂盐与电解液直接接触发生溶出和穿梭效应;石墨烯片的层状结构使其具有较大的比表面积,为有机物颗粒的附着提供了很大空间,增加了有机物与锂离子的接触,便于发生锂离子的脱嵌反应;因此实验有效改善了有机物的电化学性能,以PTCDA为例,PTCDA/Super-P/PVDF电极电化学循环100圈后容量由130mAh/g衰减到86 mAh/g,且仍有继续衰减趋势,而PTCDA-CCG复合材料电极在200圈后仍能保留95mAh/g的放电比容量且容量稳定,分析得出,有机物与石墨烯复合不仅可以提高放电比容量也可获得良好的循环稳定性。
【关键词】：石墨烯 有机物复合材料 锂/有机物电池 正极材料
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 引言11-12
• 1.2 锂有机电池简介12-15
• 1.2.1 锂有机电池工作原理12-14
• 1.2.2 锂有机物电池发展面临的问题14-15
• 1.3 锂有机物电池正极材料概述15-22
• 1.3.1 导电聚合物正极材料研究现状16-18
• 1.3.2 共轭羰基化合物正极材料研究现状18-20
• 1.3.3 其他有机物正极材料研究现状20-22
• 1.4 石墨烯概述22-25
• 1.4.1 石墨烯简介22-23
• 1.4.2 石墨烯制备方法23-24
• 1.4.3 碳材料在锂有机物电池中的研究现状24-25
• 1.5 本文研究目的与主要研究内容25-27
• 第二章 实验部分27-39
• 2.1 实验材料和制备方法27-32
• 2.1.1 制备样品仪器27
• 2.1.2 实验材料27-28
• 2.1.3 氧化石墨烯的制备28-29
• 2.1.4 石墨烯的制备29-30
• 2.1.5 化学改性石墨烯片（CCG）的制备30-32
• 2.1.6 聚酰亚胺的制备32
• 2.2 分析和测试方法32-34
• 2.2.1 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）32-33
• 2.2.2 透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）33
• 2.2.3 红外光谱分析（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FT-IR）33
• 2.2.4 X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）33-34
• 2.2.5 拉曼光谱分析（Raman spectra，RAMAN）34
• 2.2.6 热重分析（Thermogravimetric Analysis，TGA）34
• 2.3 电化学性能测试34-39
• 2.3.1 工作电极的制备34-36
• 2.3.2 交流阻抗（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）测试36
• 2.3.3 循环伏安（Cyclic voltammetry, CV）测试36
• 2.3.4 恒流充放电测试36-39
• 第三章 化学改性石墨烯片（CCG）、有机物、有机物-CCG 复合材料的表征39-55
• 3.1 CCG的表征39-41
• 3.1.1 扫描电子显微镜39-41
• 3.2 有机物的表征41-44
• 3.2.1 扫描电子显微镜41-43
• 3.2.2 X射线衍射43-44
• 3.2.3 拉曼光谱分析44
• 3.3 有机物-CCG复合材料的表征44-47
• 3.3.1 扫描电子显微镜44-45
• 3.3.2 透射电子显微镜45-46
• 3.3.3 TG热重分析46-47
• 3.4 有机物锂电池充放电后电池正负极表征47-54
• 3.4.1 扫描电子显微镜48-52
• 3.4.2 正极片扫描电子显微镜52
• 3.4.3 FT-IR红外分析52-53
• 3.4.4 X射线衍射53-54
• 3.5 小结54-55
• 第四章 化学改性石墨烯片（CCG）、有机物-CCG复合材料的电化学性能表征55-67
• 4.1 CCG的电化学性能研究55-57
• 4.1.1 恒流充放电测试分析55-56
• 4.1.2 电化学交流阻抗测试分析56
• 4.1.3 循环伏安测试分析56-57
• 4.2 有机物材料的电化学性能研究57-60
• 4.2.1 电化学交流阻抗测试分析57-58
• 4.2.2 循环伏安测试分析58-59
• 4.2.3 恒流充放电测试分析59-60
• 4.3 有机物-CCG复合材料的电化学性能研究60-62
• 4.3.1 电化学交流阻抗测试分析60
• 4.3.2 循环伏安测试分析60-61
• 4.3.3 恒流充放电测试分析61-62
• 4.4 聚酰亚胺-CCG复合材料的电化学性能研究62-64
• 4.4.1 电化学交流阻抗测试分析62-63
• 4.4.2 循环伏安测试分析63
• 4.4.3 恒流充放电测试分析63-64
• 4.5 小结64-67
• 第五章 结论与展望67-71
• 5.1 结论67-68
• 5.2 展望68-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士期间发表论文及研究成果81

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