锂离子电池碳负极材料的制备及其电化学性能的研究

锂离子电池碳负极材料的制备及其电化学性能的研究

论文摘要

本课题以具有良好嵌锂性能但与电解液相容性较差的天然鳞片石墨为研究对象,进行了关于石墨改性的研究。采用XRD、SEM等分析测试手段对材料进行了表征。针对天然石墨循环性能差的缺点,对石墨进行气相氧化和液相氧化改性,采用酚醛树脂包覆法提高了其振实密度,降低了比表面积,并对制备出的复合石墨材料进行了电化学性能研究。对天然鳞片石墨进行电化学性能测试,结果表明,首次充电中形成的SEI膜能阻止溶剂的进一步分解,避免石墨片层在充放电循环中大量剥落。在较低的电流密度下,天然鳞片石墨能表现出较好的充放电性能。采用空气和双氧水分别对天然石墨进行氧化改性,结果表明,空气氧化增加了嵌锂位置,也使得石墨颗粒变得更规整。嵌锂位置的增加提高了锂离子的嵌入量,颗粒的规整化有利于形成均匀、稳定的SEI膜。双氧水氧化石墨的电化学性能的改善主要是由于氧化后增加了天然石墨表面的氧含量,有利于减少首次充电时由于形成SEI膜对锂离子的消耗,抑制溶剂和电解液的分解,提高首次充放电效率。在1/10 C电流密度下,产生的首次不可逆容量由氧化前的71.2 mAh/g降低到45.4 mAh/g,可逆容量也保持在357.5 mAh/g以上,经过30次循环后放电容量保持率为90 %。酚醛树脂包覆使天然石墨的振实密度由0.588 g/cm~3提高到0.883g/cm~3;比表面积由8.194 m~2/g降低到8.103 m~2/g。随着热处理温度的升高,酚醛树脂碳化越来越完全,包覆石墨的电化学性能更好。将酚醛树脂包覆石墨后再进行液相氧化改性,结果表明,在1 C电流密度下,首次充放电容量分别为382.8 mAh/g和349.4 mAh/g,首次充放电效率达到92 %,经过10次放电循环后容量保持在96.2 %以上,在电流密度为1/2 C时,经过30次放电循环后容量保持率为94 %。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 选题的背景及意义
  • 1.2 锂离子电池负极材料的分类
  • 1.2.1 中间相碳微球
  • 1.2.2 无定形碳材料
  • 1.2.3 天然石墨与人造石墨
  • 1.2.4 含碳化合物
  • 1.2.5 非碳负极材料
  • 1.3 天然石墨的改性方法
  • 1.3.1 表面氧化
  • 1.3.2 表面卤化
  • 1.3.3 表面包覆
  • 1.3.4 其它改性方法
  • 1.4 锂离子电池的应用前景
  • 1.4.1 锂离子电池在便携式电器中的应用前景
  • 1.4.2 锂离子电池在电动车(EV)行业的应用前景
  • 1.4.3 锂离子电池在军事装备及航天事业中的应用前景
  • 1.5 本课题研究目的和主要内容
  • 第2章 实验部分
  • 2.1 实验原料及设备
  • 2.2 天然石墨改性样品的制备
  • 2.2.1 天然石墨的气相氧化改性
  • 2.2.2 天然石墨的液相氧化改性
  • 2.2.3 酚醛树脂包覆石墨改性
  • 2.2.4 酚醛树脂包覆石墨的液相氧化改性
  • 2.3 样品表征及电化学性能测试
  • 2.3.1 样品表征
  • 2.3.2 电化学性能测试
  • 第3章 天然石墨作为负极材料的研究
  • 3.1 天然石墨的XRD 分析
  • 3.2 天然石墨的FE-SEM 形貌
  • 3.3 天然石墨的充放电性能
  • 3.4 天然石墨的倍率性能
  • 3.5 天然石墨的循环性能
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 天然石墨氧化改性
  • 4.1 天然石墨的气相氧化改性
  • 4.1.1 天然石墨的差热分析
  • 4.1.2 气相氧化改性石墨的首次充放电性能
  • 4.1.3 气相氧化改性石墨的循环性能
  • 4.1.4 气相氧化改性石墨样品表面形貌分析(FE-SEM)
  • 4.1.5 气相氧化改性石墨550 ℃热处理的倍率性能
  • 4.2 天然石墨的液相氧化改性
  • 4.2.1 液相氧化改性石墨的FTIR 表征
  • 4.2.2 液相氧化改性石墨的首次充放电性能
  • 4.2.3 液相氧化改性石墨的倍率性能
  • 4.2.4 液相氧化改性石墨的循环性能
  • 4.3 本章小结
  • 第5章 天然石墨的包覆改性
  • 5.1 酚醛树脂包覆石墨改性
  • 5.1.1 酚醛树脂差热分析
  • 5.1.2 不同比例酚醛树脂包覆石墨850 ℃热处理
  • 5.1.3 酚醛树脂包覆石墨的振实密度和比表面积
  • 5.1.4 酚醛树脂包覆石墨不同处理温度首次充放电容量
  • 5.1.5 酚醛树脂包覆石墨首次充放电性能
  • 5.1.6 酚醛树脂包覆石墨的倍率性能
  • 5.1.7 酚醛树脂包覆石墨的循环性能
  • 5.2 酚醛树脂包覆石墨液相氧化改性
  • 5.2.1 酚醛树脂包覆石墨液相氧化改性首次充放电性能
  • 5.2.2 酚醛树脂包覆石墨液相氧化改性倍率性能
  • 5.2.3 酚醛树脂包覆石墨液相氧化改性的循环性能
  • 5.3 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
  • 致谢
  • 作者简介
  • 相关论文文献

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