三维多孔导电纸的制备及其在新能源领域的研究

发布时间：2020-05-14 10:14

【摘要】：随着社会发展,引发了一系列环境污染和能源危机,绿色新能源逐渐成为各国的研究热点。锂离子电池作为一种新型的绿色二次充电能源,在交通、国防和电子设备领域展示了广阔的应用前景。氧化锡具有高的理论储锂容量(782mAh g~(-1)),低成本,易合成,较低的嵌锂电位的优点,被认为是极具潜力的锂离子电池负极材料。然而,氧化锡锂离子电池的实际应用受到了自身性质的限制。充放电过程中巨大的体积变化(约300%)导致了颗粒的粉化、团聚甚至与基底材料剥离,造成电池容量下降快,循环性能差。因此,针对这类体积效应明显的负极材料,迫切需要开发一种可嵌入式的柔性多孔集流体。碳纳米管有着独特的石墨化片层结构、大的长径比、良好的导电性和力学性能。本文将碳纳米管和柔性的纸纤维结合,制备了一种三维导电多孔结构、表面粗糙、导电性良好、内部蓬松多孔的柔性集流体。这种集流体与活性物质的导电接触面积大,黏附度高,充放电过程中活性物质不易从集流体剥离,从而拥有更好的循环稳定性。为了提高碳纳米管的纯度、结晶度,对碳纳米管进行高温石墨化处理。同时,实验中对碳纳米管导电纸的制备、碳纳米管导电纸作集流体对氧化锡锂离子电池的电化学性能影响、炭化碳纳米管导电纸作集流体对氧化锡锂离子电池的电化学性能影响进行了深入的研究。得出结论如下:(1)高温石墨化工艺通过蒸发的方式将生产时附着在碳纳米管表面的杂质消除,有利于提高碳纳米管的纯度。同时,高温石墨化使得石墨层结构的各向异性膨胀,产生了巨大的内应力,结构中的位错和缺陷得以消除,微晶重排,混乱的石墨层结构趋于三维有序的稳定结构,大大提高了碳纳米管的结晶度和石墨化度,能有效的提高碳纳米管的导电、导热性能。(2)将高温石墨化处理后的碳纳米管和纸纤维素分别制备成悬浊液,并将两者混合均匀后高速剪切,再通过真空抽滤的方式成功制备了碳纳米管导电纸。这种柔性的三维多孔材料具有较低的密度、良好的导电性、表面粗糙不平和内部蓬松多孔的特点,是锂离子电池理想的集流体材料。(3)将碳纳米管导电纸代替铜箔集流体负载SnO_2-MWCNTs活性材料。这种三维导电网络结构的碳纳米管导电纸,能有效缓解SnO_2充放电过程中的粉化、团聚和开裂,保证电极材料的微观完整性,提高活性材料的利用效率,改善SnO_2锂离子电池负极材料的循环稳定性和库伦效率,提高其倍率性能。尤其值得注意的是,对比铜箔为集流体的氧化锡锂离子电池,该柔性导电纸作集流体的锂离子电池循环后,电化学阻抗不升反降,这表明,该集流体能有效的缓解氧化锡活性材料的体积效应。以200 mA g~(-1)的电流密度循环100次后还能保持在500mAh g~(-1)以上。(4)将碳纳米管导电纸炭化处理,炭化后碳纳米管导电纸有着更加优异的导电性能,更低的密度,其三维导电网络提供了更多的电荷转移通路界面,增强嵌锂/脱锂动力学,减轻了欧姆极化。两种集流体除了为氧化锡活性材料提供负载载体外,都能提供一定的比容量,有助于提高锂离子电池的能量密度。在200mA g~(-1)电流密度下循环100次后,炭化后集流体负载SnO_2/MWCNTs电极的可逆容量依然保持在897 mAh g~(-1),库伦效率达到98%,与未炭化集流体负载SnO_2活性物质相比,比容量提高了41.2%,表现出良好的电化学性能。
【图文】：

示意图,锂离子电池,充放电,示意图

的锂盐主要有六氟磷锂（LiPF6），有机酯类溶剂主要有碳酸乙烯酯酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等。常见的正极材料为锂的金属有钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料、磷酸亚铁锂等。在锂离子势高的正极，为负极提供锂离子。常用的负极材料为碳基负极材开发的锡基材料、硅基材料、新型合金材料及新型核/壳结构负极子电池的充放电过程为：充电时，正极材料的 Li+从正极富锂氧化，通过隔膜，经电解液到达负极材料表面，嵌入到负极材料中，平衡的缘故，电子经外电路流向了负极，维持了整个电池系统的电时，Li+方向与充电相反，从负极脱出，通过隔膜，达到正极材到正极材料内部，，电子经外电路流向正极。在一个完整的充放电正负极来回穿梭，往复循环，如同摇椅，所以锂离子电池有被称。锂离子电池的充放电原理（以石墨为负极，LiCoO2为正极为例

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3.1 碳纳米管的 SEM 表征图 3.1 石墨化前（a）后（b）碳纳米管SEM图图3.1是石墨化前后碳纳米管SEM图。图中可以看出，碳纳米管管形为直线型，高温石墨化处理没有改变碳纳米管直线型管状结构。图（a）石墨化前存在一定量的杂质和非晶碳颗粒。高温石墨化后，图（b）杂质和非晶碳颗粒明显减少。由此可见，高温石墨化可以蒸发杂质和消除非晶碳颗粒，从而提高碳纳米(a) (b)
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS761.2;TM912

【参考文献】