基于磷酸鐵鋰-多孔炭體系的鋰離子電容器電極材料的性能研究.pdf

1、作為一種性能優(yōu)異的儲(chǔ)能裝置，鋰離子電容器在能量密度及功率密度方面有著杰出的表現(xiàn)，故其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，隨之而來的是對(duì)其電極材料的研究也越來越多。本論文以獲得性能優(yōu)異的電極材料為目標(biāo)，通過對(duì)不同材料進(jìn)行改性處理，嘗試組裝高性能的鋰離子電容器。正極材料從磷酸鐵鋰(LiFePO4)入手，通過碳包覆、鈷(Co)摻雜對(duì)其進(jìn)行改性;負(fù)極材料從炭氣凝膠（GRF和NGRF）以及固有微孔聚合物(PIM-1)入手，通過二氧化碳(CO2)活化對(duì)其進(jìn)行改性，

2、然后研究其半電池及鋰離子電容器的電化學(xué)性能。主要研究?jī)?nèi)容有以下三個(gè)方面:
　　1、通過共沉淀法制備碳包覆磷酸鐵鋰(LiFePO4/C)，并確定其最佳合成條件。在此條件下制備的0.04wt％Co（LiFePO4理論產(chǎn)量為基準(zhǔn)）摻雜碳包覆磷酸鐵鋰(LiFe0.96Co0.04PO4/C)的電化學(xué)性能最佳，具有納米片狀形貌，當(dāng)電流密度為0.1C時(shí)，LiFe0.96Co0.04PO4/C的半電池放電比容量高達(dá)141.2 mAh·g-1，1

3、00個(gè)循環(huán)后，仍能保持98.2％;當(dāng)電流密度增大到1C時(shí)，其比容量為112.3 mAh·g-1，均優(yōu)于LiFePO4/C。將它們分別作為鋰離子電容器電極材料使用時(shí)，得到的鋰離子電容器(LiFePO4/C)/AC可達(dá)到的最大的能量密度為47.6Wh·kg-1，最大的功率密度為1004.7 W·kg-1;而鋰離子電容器(LiFe0.96Co0.04PO4/C)/AC的能量密度最高可達(dá)51 Wh·kg-1，功率密度最高可達(dá)1050.5 W·k

4、g-1。
　　2、通過溶膠-凝膠法合成GRF和NGRF，然后分別在不同的溫度下進(jìn)行活化處理，最終獲得活化后的凝膠（GRF-A-x和NGRF-A-x）。它們均呈大小不一的薄片狀分布，以石墨烯為支撐形成三維結(jié)構(gòu)。CO2活化使材料表面產(chǎn)生大量的微孔和小中孔，材料的比表面積不斷增大，孔結(jié)構(gòu)也變得更為豐富。隨著CO2活化溫度的上升，GRF-A-x的比容量也不斷升高，并且N元素的加入也提高了對(duì)應(yīng)材料的比容量。其中GRF-A-10和NGRF-A

5、-10，在0.1 A·g-1時(shí)放電比容量分別為917.1 mAh·g-1和1077.2 mAh·g-1。將它們作為鋰離子電容器電極材料使用時(shí)，鋰離子電容器L4A6/GRF-A-10的能量密度最大值為30.7Wh·kg-1，功率密度最大值為1182 W·kg-1;而鋰離子電容器L4A6/NGRF-A-10的能量密度最高可達(dá)33.4 Wh·kg-1，功率密度最高可達(dá)2392.6 W·kg-1。
　　3、通過有機(jī)合成、高溫炭化及CO2活

6、化制備了多孔PIM-1材料（PIM-1-C和PIM-1-A）。PIM-1-A呈微米級(jí)球狀分布，CO2活化使其去除了大量的雜原子，進(jìn)而豐富了孔隙結(jié)構(gòu)，將其比表面積提高到了965.3 m2·g-1。當(dāng)電流密度為0.1 A·g-1時(shí)，PIM-1-A半電池的放電比容量約是PIM-1-C的5.1倍，為1158.4 mAh·g-1。將其作為鋰離子電容器電極材料使用時(shí)，鋰離子電容器L4A6/PIM-1-A的能量密度最大值為18.5 Wh·kg-1，功