基于碳材料的鋰離子電池負(fù)極材料性能研究.pdf

1、智能手機(jī)、筆記本電腦等便攜式和智能式可移動電子設(shè)備，以及純電動汽車和混合動力汽車的快速發(fā)展，需要開發(fā)出能量密度和功率密度高且循環(huán)壽命長的鋰離子電池。目前商用的鋰離子電池，其負(fù)極材料大多為碳材料，較低的比容量、較差的大電流循環(huán)性能等已嚴(yán)重制約了它們在能源存儲方面的發(fā)展。但是，與其他負(fù)極材料相比，碳納米材料具有電導(dǎo)率高、比表面積大、機(jī)械性能良好、來源豐富、制備簡單、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，通過納米化和復(fù)合化改進(jìn)碳材料的儲鋰性能一直是鋰離子電池

2、負(fù)極材料研究的熱點(diǎn)。
　　本論文以提高鋰離子電池性能為目的，以碳納米材料及其復(fù)合材料為研究對象，采用多種實(shí)驗(yàn)方法制備出基于碳納米纖維和石墨烯的復(fù)合材料，對材料的結(jié)構(gòu)、形貌以及作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)行為進(jìn)行了較為系統(tǒng)的表征，研究了材料的結(jié)構(gòu)和形貌等對其電化學(xué)性能的影響。
　　具體的研究內(nèi)容和得到的結(jié)論如下：
　　1.分別以乙炔為碳源、咪唑?yàn)榈?，用化學(xué)氣相沉積法在不銹鋼襯底上生長了具有珊瑚狀結(jié)構(gòu)的氮摻雜和未摻雜的

3、碳納米纖維（CNFs），研究了 N摻雜對CNFs的形貌、結(jié)構(gòu)及其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能的影響。與未摻雜的CNFs電極相比，N摻雜CNFs電極具有優(yōu)越的電化學(xué)性能。在200 mA g-1的電流密度下循環(huán)150次，可逆放電比容量為862 mAh g-1；當(dāng)電流密度增加到1000 mA g-1時，循環(huán)100次的可逆比容量仍保持在400 mAh g-1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雜質(zhì)元素 N的引入使 CNFs產(chǎn)生更多的缺陷和更大的比表面積，不僅

4、為鋰離子的存儲提供空間，而且還增加了電化學(xué)活化點(diǎn)，進(jìn)而提高了電極的儲鋰性能。
　　2.采用浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法在泡沫銅襯底上制備了具有互聯(lián)結(jié)構(gòu)的CNFs，利用碳與高錳酸鉀的氧化還原反應(yīng)，在CNFs表面生長了Mn3O4納米片，形成了CNFs@Mn3O4核殼結(jié)構(gòu)。直接作為鋰離子電池電極，表現(xiàn)出高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在100 mA g-1的電流密度下循環(huán)100次，電池的比容量仍保持在1178 mAh g-1。即使在

5、電流密度5000 mA g-1下循環(huán)100次，電極的可逆放電比容量仍有300 mAh g-1。優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于合理設(shè)計(jì)的核殼結(jié)構(gòu)，具有良好導(dǎo)電性的CNFs內(nèi)核不僅減小了電極的電阻，均勻地為Mn3O4供給電荷，還為Mn3O4提供了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)支撐，有效地緩解了體積變化所形成的應(yīng)力。核殼結(jié)構(gòu)還極大地縮短了鋰離子傳輸路徑，且有利于電子快速傳輸。
　　3.采用液氮快速冷凍并結(jié)合真空冷凍干燥和熱處理工藝，組裝了自支撐結(jié)構(gòu)的石墨烯包覆 S

6、i納米顆粒復(fù)合材料，研究了組分比對材料形貌、結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，探討了石墨烯對 Si材料電化學(xué)反應(yīng)和界面反應(yīng)的作用機(jī)理。儲鋰性能測試表明，組分比優(yōu)化的復(fù)合材料（RGO:Si=1:1）具有高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在210 mA g-1的電流密度下循環(huán)300次，可逆放電比容量保持在1482 mAh g-1。優(yōu)越的儲鋰性能歸因于石墨烯與Si納米顆粒的協(xié)同作用，石墨烯不僅起到了導(dǎo)電和分散活性材料的作用，還保護(hù)了 Si材料結(jié)構(gòu)

7、的完整性，有效地避免了SEI膜在Si材料上的直接形成。
　　4.結(jié)合真空抽濾和真空冷凍干燥方法，制備了自支撐的柔性多孔石墨烯包覆Si納米顆粒復(fù)合膜，負(fù)載的Si納米顆粒面密度為0.65 mg cm-2。直接作為鋰離子電池電極，免去了傳統(tǒng)電極制備所必須的導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑。具有柔性的石墨烯包覆層不僅提高了 Si納米顆粒的導(dǎo)電性，還有利于保持材料結(jié)構(gòu)的完整性。電化學(xué)測試結(jié)果表明，電極具有優(yōu)異的儲鋰性能。當(dāng)電流密度為210 mA g-1時，電