高性能鋰（鈉）離子電池碳基及合金類負極材料的制備及研究.pdf

1、環(huán)境污染及能源危機的日益加重使得綠色能源的開發(fā)越來越重要。其中，鋰離子電池由于其本身具有的質量輕、容量高、壽命長、環(huán)境友好且無記憶效應等特點逐漸成為了二次電池發(fā)展的重要方向。另外一方面，伴隨著鋰離子的廣泛應用，其資源分布及成本問題成為了其未來發(fā)展的瓶頸，而作為資源分布廣泛、成本低廉的鈉離子電池得到了研究者越來越多的關注，逐漸稱為未來高性能二次電池的重要選擇。當前，商品化的鋰離子電池普遍采用石墨類材料作為負極材料，但是石墨材料本身較低的比

2、容量（理論可逆容量372 mAh g-1，LiC6），使得其性能提升空間不夠，并且過低的電壓平臺使得石墨類負極材料容易出現鋰金屬的沉積，導致安全問題。而在鈉離子電池中，傳統(tǒng)鋰離子電池中的石墨類負極材料由于碳原子層間距較小，理論上鈉離子存儲能力近乎為零。因此，近年來大量的研究人員集中于研發(fā)能夠用于鋰離子電池和鈉離子電池的新型負極材料。其中，碳基材料以及合金類負極材料由于能夠跟更多的鋰/鈉形成合金而具有更高的理論比容量，逐漸成為下一代高性能

3、鋰/鈉離子電池電極材料。本論文針對多孔碳基材料，鍺基材料以及磷基材料進行了深入的研究，開發(fā)出了多種具有優(yōu)異電化學性能的鋰（鈉）離子電池中負極材料:
　　第一章，本論文針對鋰（鈉）離子電池的發(fā)展、機理以及構成進行了詳細的綜述。本論文分別針對鋰（鈉）離子電池的正負極材料進行了總結性概括，按照其結構類型以及反映類型對于電極材料進行了分析，并就此提出了本論文的研究背景以及研究思路。
　　第二章，本論文針對論文中所涉及的實驗藥品、實驗

4、方法以及實驗設備進行了總結，針對論文中所使用的部分進行了詳細的闡述。
　　第三章，本論文針對鋰離子電池碳基負極材料，創(chuàng)造性的通過結合靜電紡絲方法與空氣活化方法制備了具有多孔結構的碳納米纖維，通過碳納米纖維的部分燃燒在碳納米纖維上形成大量的孔洞。并且，通過這種方法的多孔碳納米纖維呈現出極其好的柔韌性，可以直接作為工作電極進行儲鋰性能測試。當測量其電化學性能時，柔性多孔碳納米纖維在50 mA g-1的電流密度40次循環(huán)后的比容量為17

5、80 mA h g-1，并且表現出了優(yōu)異的倍率性能以及超長的循環(huán)壽命（在500 mAg-1電流密度下循環(huán)600次后的比容量為1550 mA h g-1）。
　　第四章，本論文針對鈉離子電池碳基負極材料，通過靜電紡絲方法，以PAN為碳源，F127為軟模板造孔劑，制備了柔性的自支撐多孔碳納米纖維(P-CNFs)材料。通過軟模板F127造孔，在碳納米纖維上得到了大量的微孔，提供了大量的鈉離子儲存的位置，實現了碳材料儲鈉容量的提升，實現了

6、超長循環(huán)穩(wěn)定，經過1000次2C電流下的循環(huán)，P-CNFs的容量保持在140 mAh g-1.
　　第五章，本論文針對鋰離子電池鍺基負極材料，通過靜電紡絲方法得到了一種鍺納米顆粒包覆在碳納米纖維中的結構(Ge@CNFs)。這種結構一方面通過減小鍺顆粒的尺寸和碳纖維的包覆緩解了充放電中鍺體積變化產生的應力，使得鍺的循環(huán)性得到了大幅度的提高，每一個循環(huán)的容量衰減只有0.1％;另外一方面給通過三維相互交聯(lián)的碳納米纖維提高了材料整體的電導

7、率，使得鍺的倍率性能也有了很大程度的改善，實現了最高25 C電流下的接近300 mA h g-1的容量。
　　第六章，本論文針對鋰離子電池鍺基負極材料，為了研究維度對于鍺負極材料電化學性能的影響，我們通過靜電紡絲的方法和原位的CVD生長方法合成了具有在碳納米纖維上生長碳包覆鍺納米線的復合結構的柔性電極材料。在小電流循環(huán)下，復合結構優(yōu)良的儲鋰性能:在0.1C的電流下，鍺納米線復合結構表現出1520 mA h g-1的容量。在大電流下

8、，鍺納米線復合結構依然表現出優(yōu)異的性能:在10C的大電流下，仍能保持480 mAh g-1的容量。
　　第七章，本論文針對紅磷基負極材料，設計了一種有序介孔碳(CMK-3)負載紅磷的結構(P@CMK-3)。通過控制反應過程中白磷的轉化量，使得孔道和紅磷之間中保留一定的空間。這種復合結構能夠有效的緩解紅磷在充放電過程中的體積變化，實現了電化學循環(huán)性能的大幅度提高。儲鋰性能測試中，P@CMK-3實現了超長的循環(huán)性能，在1.2C電流循環(huán)