聚苯胺的改性及其在锂电池中的应用

发布时间：2017-06-06 11:07

  本文关键词：聚苯胺的改性及其在锂电池中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：聚苯胺(PANi)不仅拥有良好的氧化还原可逆性,而且环境友好,适合作为锂电池的正极材料使用,但是其比容量较低。本文通过复合改性和二次掺杂改性的方法改善了PANi电化学性能。首先,本文通过原位聚合法在功能化的碳纳米管(CNTs)上包覆聚苯胺,制备出了氧化态的PANi/CNTs复合材料。研究表明,当CNTs和PANi的质量比为1:10时,电化学性能最好。通过红外光谱可知在CNTs上成功的进行了功能化(羧酸化、氨基化和苯磺酸化),并且聚合上了PANi。通过SEM和TEM测试可知,氧化态的复合材料形成很好的核-壳层结构。XRD结果表明PANi/CNTs复合材料有更好的结晶度。阻抗分析(EIS)测试表明PANi/CNTs复合材料有更小的电荷传递电阻,其中在羧酸化的CNTs上进行包覆PANi(PANi/c-CNTs)的复合材料具有最小的电荷传递电阻。在0.2 C的倍率下,PANi/c-CNTs复合材料的首次放电比容量最大,达到了135.1 m Ah/g,库仑效率在95%以上,在100个循环后容量为118.8 m Ah/g,然而纯PANi的首次比容量仅为74.8 m Ah/g。本文还将最佳比例的氧化态复合材料进行还原获得还原态的复合材料。还原态的材料中C=N的结构明显减弱,说明得到很好的还原。还原态的材料比氧化态的材料具有更好的结晶度、更小的电化学阻抗和更高的放电比容量。PANi/c-CNTs复合材料首次放电比容量最高,达到了181.8 m Ah/g,库仑效率在95%以上,在100个循环后容量为139.4 m Ah/g,并且PANi/c-CNTs复合材料也具有最好的倍率性能。此外,循环伏安(CV)测试表明PANi/c-CNTs复合材料具有最大的锂离子扩散系数。因此,对CNTs进行羧酸化处理和复合材料进行还原效果最好。对上述本征氧化态的材料进行二次掺杂和脱掺杂,得到改性的本征氧化态的材料。改性的材料具有更低的阻抗和更好的结晶度。CV测试表明改性的材料具有更好的氧化还原可逆性。Tafel测试说明改性后的电极材料有更高的交换电流密度,具有更好的电池反应可逆性。紫外可见吸收光谱表明改性后的材料共轭结构得到增强。在0.2 C倍率下,改性的PANi/c-CNTs复合材料和纯PANi首次放电比容量为152.1 m Ah/g和97 m Ah/g,均比未改性的材料的比容量高,库仑效率在97%以上。最后对得到的材料的市场前景和经济成本进行了分析,与其它的锂电池正极材料相比,改性聚苯胺具有生产成本低和环境友好的优势。
【关键词】：锂电池 聚苯胺 复合材料 碳纳米管 二次掺杂
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-11
• 1.2 聚苯胺的研究发展11-19
• 1.2.1 聚苯胺的性质11-14
• 1.2.2 聚苯胺的二次掺杂14-15
• 1.2.3 聚苯胺的合成15-17
• 1.2.4 聚苯胺的应用17-19
• 1.3 聚苯胺复合材料19-20
• 1.3.1 聚苯胺/金属复合材料19-20
• 1.3.2 聚苯胺/非金属复合材料20
• 1.4 锂-聚苯胺二次电池20-22
• 1.4.1 锂-聚苯胺电池机制20-21
• 1.4.2 聚苯胺在锂二次电池中的应用21-22
• 1.5 本文研究的主要内容22-24
• 第2章 实验原料与测试方法24-30
• 2.1 试验药品及仪器24-25
• 2.1.1 试验药品24-25
• 2.1.2 试验仪器25
• 2.2 电极的制备和电池的组装25-26
• 2.3 材料表征及测试方法26-30
• 2.3.1 扫描电子显微镜26
• 2.3.2 X射线衍射分析26
• 2.3.3 红外光谱26-27
• 2.3.4 紫外可见吸收光谱27
• 2.3.5 拉曼光谱27
• 2.3.6 四探针电阻率测试27
• 2.3.7 塔菲尔测试27-28
• 2.3.8 电化学交流阻抗测试28
• 2.3.9 循环伏安测试28
• 2.3.10 电池充放电测试28-30
• 第3章 聚苯胺的碳纳米管复合改性30-52
• 3.1 引言30
• 3.2 碳纳米管的功能化30-31
• 3.3 PANi/CNTS复合材料的制备31-32
• 3.4 PANi/CNTS复合材料的表征32-40
• 3.4.1 红外光谱测试32-34
• 3.4.2 Raman测试34-35
• 3.4.3 XRD测试35-37
• 3.4.4 TEM测试37
• 3.4.5 SEM测试37-40
• 3.5 在锂电池中PANi/CNTS复合材料的应用研究40-51
• 3.5.1 锂-聚苯胺电池充放电测试40-45
• 3.5.2 锂-聚苯胺循环伏安测试45-48
• 3.5.3 锂-聚苯胺电池的Tafel测试48-49
• 3.5.4 锂-聚苯胺电池的EIS测试49-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第4章 聚苯胺的二次掺杂改性52-62
• 4.1 引言52
• 4.2 PANi的二次掺杂和脱掺杂52-53
• 4.3 PANi的表征53-56
• 4.3.1 电导率测试53-54
• 4.3.2 XRD测试54-55
• 4.3.3 UV-vis光谱测试55-56
• 4.3.4 SEM测试56
• 4.4 在锂电池中改性的PANi的应用研究56-61
• 4.4.1 锂-聚苯胺电池的充放电测试56-58
• 4.4.2 锂-聚苯胺电池的CV测试58-59
• 4.4.3 锂-聚苯胺电池的Tafel测试59-60
• 4.4.4 锂-聚苯胺电池的EIS测试60-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 市场经济分析62-68
• 5.1 引言62
• 5.2 二次电池概况62-63
• 5.3 锂-聚苯胺电池的竞争分析63-65
• 5.3.1 竞争优势63-64
• 5.3.2 竞争劣势64
• 5.3.3 成本分析64-65
• 5.4 市场应求65-66
• 5.5 市场竞争66
• 5.6 本章小结66-68
• 结论68-70
• 参考文献70-78
• 致谢78

  本文关键词：聚苯胺的改性及其在锂电池中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：426166