電極材料在實(shí)現(xiàn)高性能鋰離子電池中起著至關(guān)重要的作用。無機(jī)電極材料因有限的能量密度和功率密度限制了鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展。有機(jī)電極材料比容量高、體積膨脹小、結(jié)構(gòu)可控,有望成為下一代高性能鋰離子電池。本文以電活性有機(jī)質(zhì)材料為研究對象,研發(fā)出了高比容、高功率、長壽命有機(jī)鋰離子電池負(fù)極,并借助現(xiàn)代光譜學(xué)技術(shù)和電化學(xué)測試技術(shù)探討了其儲鋰機(jī)制。在此基礎(chǔ)上探究了有機(jī)/石墨復(fù)合負(fù)極的電化學(xué)性能和作用機(jī)制。此外,研究了電活性有機(jī)質(zhì)材料作為石墨負(fù)極粘結(jié)劑的電化學(xué)性能。這些研究為高性能鋰離子電池的發(fā)展奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容包括:有機(jī)金屬骨架(MOFs)富馬酸鋁、高分子聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及小分子馬來酸作為鋰離子電池負(fù)極的電化學(xué)性能及儲鋰機(jī)制;馬來酸/石墨復(fù)合材料作為鋰離子電池負(fù)極的性能及儲鋰機(jī)制;及PMMA作石墨負(fù)極粘結(jié)劑的電化學(xué)性能及優(yōu)化機(jī)制。1.富馬酸鋁MOFs是由富馬酸與無機(jī)鋁鹽絡(luò)合而成的一種類銀耳狀材料,其電化學(xué)性能相比于富馬酸顯著提升。在37.5 m A g-1電流密度下循環(huán)100圈后有392 m Ah g-1的可逆容量,且循環(huán)過程中無明顯容量衰減。在37.5 A g-1電流密度下仍有258 m Ah g-1的可逆容量。富馬酸鋁優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于其低阻抗、高比表面積、及充放電過程中小體積膨脹效應(yīng)和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。其儲鋰機(jī)制為兩電子轉(zhuǎn)化反應(yīng),即富馬酸鋁與鋰反應(yīng)形成鋁和富馬酸鋰。2.PMMA作為常用的一種熱塑性塑料,可以通過一種新穎的儲鋰機(jī)制作為一種資源豐富、穩(wěn)定且高性能的鋰離子電池負(fù)極材料。這種未添加粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的薄膜電極在14 m A g-1電流密度下有343 m Ah g-1的可逆容量,在350 m A g-1電流密度下仍保持了初始容量的82.6%,70 m A g-1循環(huán)150圈后仍有197 m Ah g-1的可逆容量。其儲鋰機(jī)制為在PMMA原位形成的環(huán)戊二酮上進(jìn)行可逆的鋰化/去鋰化。這一研究為尋找新型有機(jī)電極材料提供了新思路。此外,將PMMA作為粘結(jié)劑可以有效提高石墨負(fù)極電化學(xué)性能。放電電流密度為18.6 A g-1時(shí),PVDF-PMMA(1:1 wt%)和PVDF-PMMA-PMALi(6:4:2 wt%)基石墨負(fù)極的容量保持率分別達(dá)到90.4%和96.2%,遠(yuǎn)高于PVDF基石墨負(fù)極的16.2%。這些結(jié)果使我們對合理設(shè)計(jì)具有內(nèi)部協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合粘結(jié)劑有了更深的認(rèn)識。3.馬來酸是一種未經(jīng)修飾的有機(jī)小分子,作為鋰離子電池負(fù)極展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在46.2 m A g-1電流密度下的容量為1500 m Ah g-1,電流密度為46.2 A g-1時(shí)仍有571 m Ah g-1的容量,2.31 A g-1循環(huán)500圈后容量保持率為98.1%。其優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于馬來酸較小的體積膨脹效應(yīng)和獨(dú)特的儲鋰機(jī)制。此外,將馬來酸與石墨復(fù)合作為鋰離子電池負(fù)極也展現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在8 A g-1的電流密度下的可逆容量為889 m Ah g-1。在400 m A g-1的電流密度下循環(huán)1000圈后仍有989 m Ah g-1的可逆容量。馬來酸/石墨復(fù)合電極優(yōu)異的電化學(xué)性能歸因于馬來酸不僅貢獻(xiàn)了高的可逆容量還緩解了石墨在脫嵌鋰過程中產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)。且石墨為馬來酸提供電子傳輸通路和活性位點(diǎn),提高了馬來酸在電化學(xué)循環(huán)過程中的使用率。這種基于有機(jī)質(zhì)材料的鋰離子電池負(fù)極比容量高、倍率性能優(yōu)異、循環(huán)穩(wěn)定,且工藝簡單、清潔環(huán)保,有望作為下一代高能量、高功率密度“綠色鋰離子電池”。
【學(xué)位單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 張凱;轷U

本文編號：2809008