锂离子电池碳负极材料的制备与性能研究

发布时间：2017-10-23 21:26

  本文关键词：锂离子电池碳负极材料的制备与性能研究

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【摘要】：绿色新能源的发展对电池材料提出了更高的要求,天然石墨因其价格低廉、容量较高、循环性能好以及环保无害等特点成为了锂离子电池负极材料的理想选择,但是,石墨负极材料存在着首次充放电不可逆比容量大、高倍率充放电库伦效率低等一些缺陷。本论文对石墨负极材料的缺点进行改进,采用氧化、包覆和掺杂的方式改性材料,利用XRD、SEM、首次充放电、循环伏安和交流阻抗等测试方法分析实验结果。本实验用浓硫酸氧化、酚醛树脂包覆的方法改善天然石墨的形貌缺陷,提高材料的电性能。讨论不同包覆量、不同煅烧温度以及不同煅烧时间对材料性能的影响,在电压0.005V-2.000V、倍率为0.1C、0.2C、0.5C和1C条件下对材料进行测试,通过分析可知,天然石墨经氧化后性能变好,在氧化的基础上,13%包覆量、800℃煅烧7h的优化条件下制备的材料性能最佳。天然石墨经氧化后表面变的平整,粒子排列有序,结晶度提高,在0.1C倍率测试下首次充放电比容量为319m Ah·g~(-1)和333m Ah·g~(-1),首次库伦效率高达95.7%,相对于天然石墨提高了3.4%。优化的包覆材料在0.1C、0.2C、0.5C和1C倍率下测得的首次充放电比容量分别为398m Ah·g~(-1)和421m Ah·g~(-1)、364m Ah·g~(-1)和388m Ah·g~(-1)、323m Ah·g~(-1)和358m Ah·g~(-1)、221m Ah·g~(-1)和251m Ah·g~(-1),20次循环后放电比容量分别保持为406m Ah·g~(-1)、364m Ah·g~(-1)、320m Ah·g~(-1)和206m Ah·g~(-1),第20次循环的充放电库仑效率分别为92.01%、89.02%、86.24%和75.58%。对氧化石墨进行掺杂改性,制备锡-石墨复合材料,讨论掺杂不同氧化石墨、不同掺杂量和不同煅烧温度对材料性能的影响,经分析测试结果可知,相对于浓硝酸和30%浓度双氧水,浓硫酸的氧化效果最好,Sn Cl2与氧化石墨1:6的摩尔质量比、500℃煅烧温度条件下优化的材料性能较好。掺杂浓硫酸氧化的材料的晶型结构和表面形貌较好,阻抗较小,循环性能得到提高,在0.1C测试倍率下首次放电比容量达到859m Ah·g~(-1),相对于H2O2和HNO3氧化制备的材料分别提高了113m Ah·g~(-1)和76m Ah·g~(-1),0.2C、0.5C和1C倍率下首次放电比容量分别为809m Ah·g~(-1)、761m Ah·g~(-1)和627m Ah·g~(-1)。优化条件下制备的电极材料在0.1C、0.2C、0.5C和1C测试倍率下的首次放电比容量分别为1206m Ah·g~(-1)、1126m Ah·g~(-1)、988m Ah·g~(-1)和602m Ah·g~(-1),20次循环后的放电比容量分别保持为953m Ah·g~(-1)、885m Ah·g~(-1)、749m Ah·g~(-1)和451m Ah·g~(-1)。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 石墨 改性
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O611.4;TM912
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 锂离子电池的简介14-18
• 1.2.1 锂离子电池的发展概述14-15
• 1.2.2 锂离子电池的结构及组成15-16
• 1.2.3 锂离子电池的工作原理16-17
• 1.2.4 锂离子电池的特点17-18
• 1.3 锂离子电池负极材料的选取18
• 1.4 锂离子电池负极材料的种类18-20
• 1.4.1 碳素类材料18-19
• 1.4.2 金属锂负极材料19
• 1.4.3 氮化物负极材料19
• 1.4.4 钛基负极材料19
• 1.4.5 锡基负极材料19-20
• 1.4.6 硅基负极材料20
• 1.5 石墨负极材料概述20-27
• 1.5.1 石墨负极材料嵌锂机理21-23
• 1.5.2 石墨负极材料的改性处理23-27
• 1.6 本论文的选题依据及研究内容27-28
• 第2章 实验材料及测试方法28-34
• 2.1 实验原料及仪器28-29
• 2.1.1 实验药品和试剂28-29
• 2.1.2 实验所用仪器29
• 2.2 电极材料的微观结构表征29-30
• 2.2.1 X射线晶体衍射分析（XRD）29-30
• 2.2.2 扫描电子显微镜表征(SEM)30
• 2.3 电池的组装30-31
• 2.3.1 负极片的制备30
• 2.3.2 电解液和隔膜30
• 2.3.3 电池的组装30-31
• 2.4 电池的电性能测试31-34
• 2.4.1 恒流充放电性能测试(D-C)31-32
• 2.4.2 交流阻抗测试(EIS)32
• 2.4.3 循环伏安测试(CV)32-34
• 第3章 锂电池石墨负极的氧化及包覆改性研究34-54
• 3.1 氧化天然石墨的制备与性能分析35-38
• 3.1.1 天然石墨经氧化处理前后的SEM分析35-36
• 3.1.2 天然石墨经氧化处理前后的首次充放电分析36
• 3.1.3 天然石墨经氧化处理前后的循环性能分析36-37
• 3.1.4 天然石墨经氧化处理前后的交流阻抗分析37-38
• 3.2 不同包覆比例对制备材料性能的影响38-42
• 3.2.1 不同包覆比例制备材料的XRD分析38-39
• 3.2.2 不同包覆比例制备材料的SEM分析39-40
• 3.2.3 不同包覆比例制备材料的首次充放电分析40-41
• 3.2.4 不同包覆比例制备材料的循环性能分析41-42
• 3.2.5 不同包覆比例制备材料的交流阻抗分析42
• 3.3 不同煅烧温度对制备材料性能的影响42-46
• 3.3.1 不同煅烧温度下制备材料的XRD分析43
• 3.3.2 不同煅烧温度下制备材料的SEM图43-44
• 3.3.3 不同煅烧温度下制备材料的首次充放电分析44-45
• 3.3.4 不同煅烧温度下制备材料的循环性能分析45-46
• 3.3.5 不同煅烧温度下制备材料的交流阻抗分析46
• 3.4 不同煅烧时间对制备材料性能的影响46-50
• 3.4.1 不同煅烧时间下制备材料的XRD分析46-47
• 3.4.2 不同煅烧时间下制备材料的SEM分析47
• 3.4.3 不同煅烧时间下制备材料的首次充放电分析47-48
• 3.4.4 不同煅烧时间下制备材料的循环性能分析48-49
• 3.4.5 不同煅烧时间下制备材料的交流阻抗分析49-50
• 3.5 优化条件下制备材料的性能研究50-53
• 3.5.1 优化条件下制备材料的不同倍率充放电性能分析50-51
• 3.5.2 优化条件下制备材料的不同倍率循环性能分析51-52
• 3.5.3 优化条件下制备材料的循环伏安分析52-53
• 3.6 本章小结53-54
• 第4章 掺杂对锂离子电池石墨负极材料性能的影响54-70
• 4.1 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的性能研究54-60
• 4.1.1 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的XRD分析54-55
• 4.1.2 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的SEM分析55-56
• 4.1.3 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的首次充放电分析56
• 4.1.4 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的循环性能分析56-57
• 4.1.5 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料的交流阻抗分析57-58
• 4.1.6 不同氧化剂制备锡-石墨复合材料不同倍率下放电分析58-60
• 4.1.7 浓硫酸氧化制备锡-石墨复合材料的循环伏安分析60
• 4.2 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的性能研究60-64
• 4.2.1 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的XRD分析60-61
• 4.2.2 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的SEM分析61-62
• 4.2.3 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的首次充放电分析62-63
• 4.2.4 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的循环性能分析63-64
• 4.2.5 不同掺杂量制备锡-石墨复合材料的交流阻抗分析64
• 4.3 不同煅烧温度制备锡-石墨复合材料的性能研究64-67
• 4.3.1 不同煅烧温度制备锡-石墨复合材料的SEM分析64-65
• 4.3.2 不同煅烧温度制备锡-石墨复合材料的首次充放电分析65-66
• 4.3.3 不同煅烧温度制备锡-石墨复合材料的循环分析66-67
• 4.4 优化的锡-石墨复合材料在不同倍率下的放电性能分析67-68
• 4.5 本章小结68-70
• 结论70-72
• 参考文献72-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果78-79
• 致谢79-80

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