【摘要】：能源問題、環(huán)境問題的不斷加劇迫使人們開發(fā)新的供能體系與儲能系統(tǒng)。電池因其能量轉(zhuǎn)換率高、污染小等特點,成為了替代化石燃料能源的一個重要途徑。這其中,鋰離子電池由于具有輸出電壓高、比容量大等優(yōu)勢,得到了日益廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。隨著便攜式電子設(shè)備、電動汽車、智能電網(wǎng)等鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姵匦阅艿囊蟛粩嗵岣?如何進一步提高電池的比容量與能量密度成為發(fā)展鋰電技術(shù)的核心問題之一。受限于目前電極材料的性質(zhì),鋰離子電池中往往不得不引入導(dǎo)電劑、集流體、粘結(jié)劑等無電化學(xué)活性的組分。因而,如何有效的減少這些組分的比重對于提高鋰離子電池的比容量以及能量密度具有重要的意義。本工作利用超順排碳納米管排列整齊、表面潔凈、管間范德瓦爾斯力強的特點,將這一性能優(yōu)異的材料應(yīng)用于鋰離子電池的導(dǎo)電劑、集流體等領(lǐng)域,實現(xiàn)了電池比容量與能量密度的提高。在導(dǎo)電劑方面,通過表征包含不同種導(dǎo)電劑的電極性能,證明導(dǎo)電劑的尺寸、長徑比、分散性是影響導(dǎo)電劑性能的重要因素,同時發(fā)現(xiàn)兼顧長程與短程電荷輸運的復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種更高效的導(dǎo)電劑體系�；诖私Y(jié)論,利用鋪膜結(jié)合冷軋的工藝開發(fā)了一種導(dǎo)電炭黑—超順排碳納米管復(fù)合導(dǎo)電劑,實現(xiàn)了導(dǎo)電劑的充分分散與利用,在碳納米管引入量不足0.01 wt%的的前提下改善了電極的導(dǎo)電性能,提高了極片力學(xué)強度并獲得了優(yōu)異的循環(huán)與倍率性能。在集流體方面,利用交叉超順排碳納米管薄膜制備一種柔性、輕質(zhì)的超薄集流體。相比于金屬箔集流體,碳納米管膜集流體不但具有非常小的質(zhì)量與體積,還具有更好的電極—集流體界面性能,提高了電池的比容量,并實現(xiàn)了能量密度的顯著提升。同時,超順排碳納米管由于管間相互作用強,避免了文獻報道中碳基集流體常見的厚度偏大、碳納米管引入量偏多的問題。此外,針對超順排碳納米管薄膜本征電導(dǎo)率偏低的問題,利用蒸鍍金屬的方法,在保持集流體極小的質(zhì)量與體積的前提下,進一步降低了碳納米管膜的面電阻,提高了大電流工作條件下的電池性能,并使碳納米管膜集流體能夠滿足圓柱形電池等大容量鋰電池對極片的要求。設(shè)計了一種基于超順排碳納米管薄膜的全新電極結(jié)構(gòu),使碳納米管同時承擔(dān)起導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以及集流體的作用,將電極中活性物質(zhì)的比重提升至95 wt%以上,同時利用碳納米管優(yōu)異的電學(xué)與力學(xué)性能、以及交叉碳納米管薄膜特有的多孔結(jié)構(gòu),改善了電極的反應(yīng)動力學(xué)。此外,基于這種新型的電極結(jié)構(gòu),制備出了一種柔性薄膜全電池,實現(xiàn)了高的面積比容量。
[Abstract]:Energy and environmental problems are becoming more and more serious, forcing people to develop new energy supply systems and energy storage systems. Because of its high energy conversion rate and low pollution, battery has become an important alternative to fossil fuel energy. Among them, lithium ion battery has been paid more and more attention because of its advantages of high output voltage and large specific capacity. With the development of portable electronic devices, electric vehicles, smart grids and other lithium ion battery applications, the requirements of battery performance are constantly increasing. How to further improve the specific capacity and energy density of the battery has become one of the core issues in the development of lithium technology. Limited by the current properties of electrode materials, lithium ion batteries often have to introduce conductive agent, fluid collection, binder and other non-electrochemical active components. Therefore, how to effectively reduce the specific gravity of these components is of great significance to improve the specific capacity and energy density of lithium ion batteries. In this work, the supercis carbon nanotubes are arranged neatly, the surface is clean, and the van der Waals force between tubes is strong. This material with excellent performance is applied in the field of conducting agent and fluid collecting of lithium ion battery. The specific capacity and energy density of the battery are improved. In the aspect of conductive agent, it is proved that the size, aspect ratio and dispersity of conductive agent are the important factors that affect the performance of conductive agent by characterizing the electrode performance of different kinds of conductive agents. It is also found that the composite structure with both long range and short range charge transport is a more efficient conductive agent system. Based on this conclusion, a conductive carbon black-supercis carbon nanotube composite conductive agent was developed by using film laying and cold rolling process, which realized the full dispersion and utilization of the conductive agent. The conductivity of the electrode was improved, the mechanical strength of the electrode was improved and the excellent cycling and rate properties were obtained under the condition that the carbon nanotube was introduced less than 0. 01 wt%. In the aspect of collecting fluid, a kind of flexible and light ultrathin carbon nanotube thin film was prepared by using cross supercis carbon nanotube film. Compared with the metal foil, the carbon nanotube membrane not only has a very small mass and volume, but also has a better performance of the electrode / fluid collector interface, improves the specific capacity of the battery, and achieves a remarkable increase in the energy density. At the same time, because of the strong interaction between tubes, the supercis carbon nanotubes avoid the problems of the large thickness and the large amount of carbon nanotubes introduced in the literature. In addition, in order to solve the problem of low intrinsic conductivity of supercis carbon nanotube film, the surface resistance of carbon nanotube film is further reduced by the method of metal evaporation, while keeping the mass and volume of collecting fluid very small. The performance of the battery under the condition of high current operation is improved, and the carbon nanotube film can meet the requirements of the electrode of the large capacity lithium battery such as cylindrical battery. A novel electrode structure based on supercis carbon nanotube film is designed, which enables carbon nanotubes to act as a conductive agent, a binder and a fluid collector at the same time. The specific gravity of active substances in the electrode is increased to more than 95 wt%. At the same time, the electrode reaction kinetics was improved by using the excellent electrical and mechanical properties of carbon nanotubes and the unique porous structure of the cross-carbon nanotubes film. In addition, based on the new electrode structure, a kind of flexible thin film whole cell is fabricated, which can achieve high area specific capacity.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM912;TB383.1

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本文編號：2279000