本文關鍵詞：鋰離子電池自支撐一維多孔碳與硅碳復合負極材料研究　出處：《清華大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著鋰離子電池逐漸廣泛使用于動力、儲能等大容量、高功率電池領域，鋰離子電池的能量密度、功率密度、使用壽命、安全性和成本成為最重要的因素。而高性能負極材料的研發(fā)是解決這些問題的關鍵之一。本文以碳基和非碳基負極材料中頗具潛力的一維多孔碳負極和一維硅碳復合負極材料為研究對象，通過變換碳前驅體、摻氮和材料微觀結構設計等方法提高了其電化學性能，同時也揭示了性能提升的原因和內在機制。 論文中，選取聚酰亞胺為碳前驅體，，以原位生成SiO2納米顆粒為犧牲模板，通過電紡絲、熱處理和后續(xù)的化學處理等方法，首次制備了一種適用于鋰離子電池的，具有自支撐結構的聚酰亞胺基一維多孔碳負極材料。相比較聚丙烯腈基一維多孔碳負極材料，聚酰亞胺基一維多孔碳負極材料具有高的比表面積、較好的微孔結構和更為優(yōu)異的電化學性能。這主要同聚酰亞胺基多孔碳纖維所具有的獨特的微孔結構、大的比表面積有關。 在碳材料中摻雜氮等異質元素，可起到調控碳材料的性質，提高碳材料電化學性能的目的。在聚丙烯腈中摻入富氮物質——三聚氰胺，通過電紡絲、碳化和活化的方法，首次制備了一種具有自支撐結構鋰離子電池用一維摻氮多孔碳負極材料，并同時研究了不同摻氮量和活化造孔方式對一維摻氮多孔碳負極材料結構和電化學性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)，氨氣處理所獲得的一維摻氮多孔碳負極材料具有較好的纖維形態(tài)、高的摻氮量和良好的微孔結構。同時，此自支撐一維摻氮多孔碳負極材料具有優(yōu)異的電化學性能。其容量超高，達到1323mAh g-1，是目前所報道的碳基負極材料的容量最高值。且其循環(huán)性能和倍率性能也非常優(yōu)異。究其原因，這同此材料具有獨特的微孔結構、高的氮含量、一維納米結構和含有高于目前文獻所報道的大量的吡啶氮有關。 Si具有最高的理論容量（4200mAh g-1）。但因充放電過程中Si有~400%的體積變化導致Si基負極材料循環(huán)性能差，嚴重制約了其實際應用。本文中，以納米硅粉、聚乙烯醇和酚醛樹脂為原料，利用電紡絲、溶液浸漬和熱處理的方法，較為簡單、經濟和安全地得到了具有一定預置空間的鋰離子電池自支撐一維硅碳復合負極材料。通過控制浸漬溶液濃度這一簡單、有效的辦法，調節(jié)一維Si/C復合負極材料硅、碳含量和微觀結構，獲得了優(yōu)異的電化學性能。
[Abstract]:With the lithium ion battery widely used in power, energy storage and other large capacity, high power battery field, lithium ion battery energy density, power density, service life. Safety and cost are the most important factors, and the research and development of high performance anode materials is one of the key to solve these problems. In this paper, the potential one-dimensional porous carbon anode and one-dimensional silicon carbon in carbon-based and non-carbon-based anode materials are discussed. Composite negative electrode material is the object of study. The electrochemical performance of carbon precursor, nitrogen-doped material and microstructure design were improved, and the reason and mechanism of performance improvement were also revealed. In this paper, polyimide was selected as carbon precursor and SiO2 nanoparticles were prepared as sacrificial template by electrospinning, heat treatment and subsequent chemical treatment. A polyimide based one-dimensional porous carbon anode material with self-supporting structure for lithium-ion batteries was prepared for the first time, and compared with polyacrylonitrile-based one-dimensional porous carbon anode material. Polyimide based one-dimensional porous carbon anode materials have high specific surface area, better micropore structure and better electrochemical performance, which is mainly similar to the unique micropore structure of polyimide-based porous carbon fiber. Large specific surface area related. Doping nitrogen and other heterogeneous elements in carbon materials can regulate the properties of carbon materials and improve the electrochemical properties of carbon materials. Melamine, a nitrogen-rich substance, is added into polyacrylonitrile and electrospun. One dimensional nitrogen-doped porous carbon anode material for lithium-ion batteries with self-supporting structure was prepared by carbonation and activation for the first time. At the same time, the effects of different nitrogen content and activated pore making methods on the structure and electrochemical properties of one-dimensional nitrogen-doped porous carbon anode materials were studied. One-dimensional nitrogen-doped carbon anode materials obtained by ammonia treatment have good fiber morphology, high nitrogen content and good micropore structure. The self-supporting one-dimensional nitrogen-doped carbon anode has excellent electrochemical performance and its capacity is very high, reaching 1323mAh g ~ (-1). It is the highest capacity of carbon based anode material reported at present, and its cycling performance and rate performance are also very good. The reason is that this material has unique micropore structure and high nitrogen content. One-dimensional nanostructures are related to the presence of a higher amount of pyridine nitrogen than that reported in the present literature. Si has the highest theoretical capacity of 4200mAh g-1. However, due to the 400% volume variation of Si during charging and discharging, the cycling performance of Si-based anode materials is poor. In this paper, using nano-silica powder, polyvinyl alcohol and phenolic resin as raw materials, the method of electrospinning, solution impregnation and heat treatment is relatively simple. The self-supporting one-dimensional silicon-carbon composite anode materials for lithium ion batteries with certain preset space were obtained economically and safely. The simple and effective method of controlling the concentration of impregnated solution was adopted. The excellent electrochemical properties were obtained by adjusting the silicon, carbon content and microstructure of one-dimensional Si/C composite anode material.
【學位授予單位】：清華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM912

【共引文獻】

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本文編號：1414350