锂/钠电池碳基负极材料制备及电化学性能研究

发布时间：2021-05-31 19:03

　　在便携式终端设备、新能源汽车和储能电站急速发展的当下,消费者对锂离子电池的性能要求愈加苛刻。传统负极材料,如石墨,因其较低的容量(理论容量372mA h g^-1)和较差的倍率性能,难以满足高性能锂离子电池的发展需求。此外,匮乏的锂资源及高昂的成本也制约了锂离子电池的未来发展。因此,学者们一方面开发锂离子电池的高性能负极材料,另一方面寻找可替代的电池体系。硅材料由于其具有极高的储锂容量(⁴200 mA h g^-1)成为新型锂离子电池负极材料的理想选择,而钠离子电池因钠资源储量丰富、化学性质与锂相近而极有可能成为未来锂离子电池的替代产品。而在诸多负极材料中,碳基负极材料具有较高的储锂/钠理论容量,同时低成本、高电导率和结构可控的优良特性也使得碳基材料更容易制备,是高性能锂/钠离子电池负极材料的最优选。本论文对碳基材料进行研究,开发出具有优异电化学性能的锂/钠离子电池碳基负极材料。研究结果如下:1.以微扩层石墨为基体材料,混合少量纳米硅,并加入沥青使其在烧结过程中热解,制备碳包覆的硅碳复合材料。结果表明,热解碳紧密包覆联结纳米... 

【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

（a）钛酸锂晶体结构（b）嵌锂后的钛酸锂晶体结构

此外，硅材料在粉化过程中会暴露出新鲜的材料表面，充放电循环过程中同电解液剧烈反应，导致 SEI 膜的无限生长，过度消耗电解液中的锂，不可逆容量进一步升高，循环性能下降严重，如图1.9。不仅硅元素如此，合金化负极材料体积膨胀的通病是目前其无法满足高性能锂离子电池的症结所在，因此国内外研究者从电极材料的结构和组成设计上进行方案设计，以改善合金型材料的电化学性能。首先是减小合金型材料的晶粒尺寸，通过纳米化的方式降低材料体积，控制材料的表面形貌，减小体积变化对电极整体的压力，进而提高充放电循环中电极材料的稳定性[46]。其次是设计多孔结构的电极材料，增加电解液接触面积，减少锂离子传输路径，同时多孔结构能减少合金型

用氧化法制备膨胀石墨，将石墨层间距扩大到 0.43nm，以此提升储钠的可，然而氧化扩层导致的一系列副反应造成电池首次效率太低，无法进一步商产，因此石墨类材料无法作为钠离子电池负极材料的首选。相对于高度石墨化的石墨类材料，无定形碳材料因为其较高混乱度的微，被认为是钠离子电池负极材料的最优选之一。如图 1.12，软碳和硬碳都是碳，其中软碳又称为易石墨化碳，其在 2800oC 以上可以石墨化，微晶结构对有序，层间距较为接近石墨类材料，因此其电导率较高。软碳的前驱体来香族一类，如沥青、焦、煤等石油类产品[64]。软碳嵌钠过程没有明显平台，线在 1.0-0.01V 电压区间内呈现出一条倾斜曲线。研究发现，软碳具有较多缺陷，缺陷位点处的结合能较高，因此导致软碳放电平台较高，软碳的储钠要来源于缺陷存储，在充放电过程中部分钠也会嵌入微晶层间[64,65]。即便如高的混乱度，以及缺陷存储的机理也导致软碳材料呈现出较高的不可逆容首次效率较低。另一方面，软碳较高的储钠电位能够避免大电流下钠的沉积电池的极化反应，材料的倍率性能较好。

【参考文献】：
期刊论文
[1]钠离子电池正极材料研究进展[J]. 方永进,陈重学,艾新平,杨汉西,曹余良.  物理化学学报. 2017(01)
[2]碳基负极材料储钠反应的研究进展[J]. 邱珅,吴先勇,卢海燕,艾新平,杨汉西,曹余良.  储能科学与技术. 2016(03)



本文编号：3208798