基于中空碳球的锂离子电池负极材料的研究

发布时间：2017-06-08 21:03

  本文关键词：基于中空碳球的锂离子电池负极材料的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文利用模板法制备了纳米级中空碳球HCM、锰氧化物／中空碳球复合物Mn3O4/HCM和MnO/HCM.以及酚醛(PF)和多巴胺分别作为包覆层碳源制得的多级孔结构一氧化锰/碳复合物MnO/Co使用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱、热失重分析(TGA)、X射线衍射谱分析(XRD)、BET测试等对HCM和锰氧化物/碳复合材料的微观形貌、化学组成、结晶特性、孔隙结构等进行了表征与分析,并分别将这些样品作为锂电负极活性材料,组装成半电池,利用循环伏安法(CV)、交流阻抗测试和恒电流循环测试等测试手段对所制备的几种样品的电化学性能进行了对比、分析。分析结果表明,所制备HCM的完整度和规整度较好,石墨化程度较低,含有丰富的介孔,比表面积达814.804m2/g,作为锂电负极材料,其容量远超出石墨的理论嵌锂容量,在1.0Ag-1的较高电流密度下充、放电1000圈后,比容量仍高达511.5mAhg-1,具有良好的循环稳定性能;制备的MnOx/HCM为锰氧化物晶粒与HCM的混合物,少量较小晶粒可能进入HCM中,但其容量与空白样HCM相比有大幅提升,说明MnOx的加入带来的氧化还原反应能够提高负极的容量水平。在包覆壳层之前加入锰源,可得到微米级(2-3μm)、粒径均一、MnO晶粒均匀分布在碳基体中的多级孔结构的复合材料。对比不同含碳量和包覆层碳源的MnO/C在电化学上的表现,发现含碳量为8%、包覆层碳源为PF时所制得的MnO/C复合材料表现出明显的优势,在1.0Ag1下充、放电700次以后可逆比容量高达1224.6 mAhg-1,首次库伦效率高达80%以上,倍率性能较好(3.OA g-1下7.7分钟充电99.8%,得到391.1 mAhg-1的可逆比容量),且结构保持稳定,说明碳层丰富的介孔能够提供大量储锂活性位点,而且聚苯乙烯(PS)模板挥发过程残留在晶粒间的碳层以及微粒表面包覆的碳层中的微介孔和PS移除后留下的大孔组成的多尺度孔结构和微粒中的碳层均能有效缓冲MnO转化反应过程中的剧烈体积变化,使MnO的容量不会因体积变化发生粉碎而产生容量衰退,并且随着后期MnO的无定形化、界面阻抗降低和高价态氧化物的形成,出现了容量略有降低后又上升到远远高出初始水平的现象。
【关键词】：中空碳球 多级孔结构 锰氧化物 锂离子电池 负极材料
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-19
• 第一章 绪论19-35
• 1.1 碳材料简介19
• 1.2 中空碳球及其在电化学中的应用19-28
• 1.2.1 中空碳球简介19
• 1.2.2 中空碳球的制备方法及其研究进展19-25
• 1.2.2.1 金属还原法19-20
• 1.2.2.2 超临界法20
• 1.2.2.3 冲击压缩法20
• 1.2.2.4 高温热解法20-21
• 1.2.2.5 化学气相沉积法21
• 1.2.2.6 水热法21-22
• 1.2.2.7 模板法22-25
• 1.2.3 中空碳球在电化学中的应用25-28
• 1.2.3.1 在燃料电池催化剂载体中的应用25-26
• 1.2.3.2 在超级电容器电极材料中的应用26-27
• 1.2.3.3 在锂离子电池负极材料中的应用27-28
• 1.3 锂离子电池负极材料28-33
• 1.3.1 锂离子电池简介28-30
• 1.3.1.1 锂离子电池研究进展28-29
• 1.3.1.2 锂离子电池的原理及特征29-30
• 1.3.2 碳负极材料30-31
• 1.3.2.1 结晶碳31
• 1.3.2.2 非结晶碳31
• 1.3.3 金属氧化物/碳复合负极材料31-33
• 1.3.3.1 锰氧化物作锂电负极材料32
• 1.3.3.2 锰氧化物与多孔碳材料的复合32-33
• 1.4 本文的研究内容及意义33-35
• 第二章 实验部分35-45
• 2.1 实验原料及设备35-37
• 2.1.1 实验原料35
• 2.1.2 实验设备35-36
• 2.1.3 电池用材料36-37
• 2.2 实验步骤及方法37-41
• 2.2.1 中空碳球的制备37-38
• 2.2.1.1 聚苯乙烯(PS)微球的合成37
• 2.2.1.2 聚苯乙烯微球的磺化(s-PS)37-38
• 2.2.1.3 聚苯乙烯/酚醛树脂核壳材料(PS/PF)的制备38
• 2.2.1.4 碳化制备中空碳球(HCM)38
• 2.2.2 MnO_x/HCM复合材料的制备38-39
• 2.2.3 多级孔结构MnO/C复合材料的制备39-40
• 2.2.3.1 以PF为壳层材料制备多级孔结构MnO/C复合材料39-40
• 2.2.3.2 以多巴胺为壳层材料制备多级孔结构MnO/C复合材料40
• 2.2.4 锂离子电池负极的制备及半电池的组装40-41
• 2.3 材料的测试分析41-45
• 2.3.1 扫描电镜(SEM)分析41
• 2.3.2 透射电镜(TEM)分析41
• 2.3.3 红外光谱(FT-IR)分析41-42
• 2.3.4 拉曼(Raman)光谱分析42
• 2.3.5 热失重(TGA)分析42
• 2.3.6 X射线衍射(XRD)分析42-43
• 2.3.7 BET比表面积测试43
• 2.3.8 电化学性能测试43-45
• 2.3.8.1 恒电流循环43
• 2.3.8.2 循环伏安法(CV)43
• 2.3.8.3 交流阻抗测试43-45
• 第三章 中空碳球作锂电负极材料的研究45-57
• 3.1 中空碳球的微观形貌和化学组成分析45-51
• 3.1.1 不同磺化时间和投料比对中空碳球微观形貌的影响45-49
• 3.1.2 不同磺化时间和投料比所得PS/PF的化学组成分析49-50
• 3.1.3 碳化前后的FT-IR分析50-51
• 3.2 中空碳球的结晶结构分析51-53
• 3.2.1 中空碳球的拉曼光谱分析51-52
• 3.2.2 中空碳球的BET分析52-53
• 3.3 中空碳球的电化学性能53-57
• 3.3.1 HCM形貌结构对其循环性能的影响53-55
• 3.3.2 HCM的交流阻抗表征55-56
• 3.3.3 HCM的伏安循环表征56-57
• 第四章 氧化锰/碳复合材料作锂电负极材料的研究57-79
• 4.1 MnO_x/HCM复合材料作锂电负极材料的研究57-63
• 4.1.1 Mn_3O_4/HCM复合材料的微观形貌形貌分析57-58
• 4.1.2 Mn_3O_4/HCM复合材料的TGA分析58
• 4.1.3 Mn_3O_4/HCM复合材料的XRD分析58-59
• 4.1.4 Mn_3O_4/HCM复合材料的电化学性能59-60
• 4.1.5 MnO/HCM复合材料的微观形貌分析60
• 4.1.6 MnO/HCM复合材料的TGA分析60-61
• 4.1.7 MnO/HCM复合材料的XRD分析61
• 4.1.8 MnO/HCM复合材料的电化学性能61-63
• 4.2 多级孔结构MnO/C复合材料作锂电负极材料的研究63-79
• 4.2.1 sPS-MnCO_3的微观形貌、化学组成与结晶特性分析63-64
• 4.2.2 sPS-MnCO_3/PF的微观形貌和化学组成分析64-65
• 4.2.3 PF为包覆层碳源的多级孔结构MnO/C复合材料的微观形貌和化学组成分析65-68
• 4.2.4 PF为包覆层碳源的多级孔结构MnO/C复合材料的结晶特性分析68-69
• 4.2.5 PDA为包覆层碳源的多级孔结构MnO/C复合材料的微观形貌、化学组成与结晶特性分析69-71
• 4.2.6 多级孔结构MnO/C复合材料的电化学性能71-79
• 4.2.6.1 碳含量对MnO/C的循环性能的影响71-72
• 4.2.6.2 壳层材料对MnO/C的循环性能的影响72-73
• 4.2.6.3 MnO/C的最佳循环性能与倍率性能73-74
• 4.2.6.4 MnO/C的循环伏安表征74-75
• 4.2.6.5 MnO/C的首次和第五、第十次充放电75-76
• 4.2.6.6 MnO/C的阻抗表征76
• 4.2.6.7 MnO/C循环后的微观结构分析76-79
• 第五章 结论79-81
• 参考文献81-87
• 致谢87-89
• 研究成果及发表的学术论文89-91
• 作者及导师简介91-93
• 附件93-94

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