發(fā)布時(shí)間：2020-05-14 10:14

【摘要】：隨著社會(huì)發(fā)展,引發(fā)了一系列環(huán)境污染和能源危機(jī),綠色新能源逐漸成為各國的研究熱點(diǎn)。鋰離子電池作為一種新型的綠色二次充電能源,在交通、國防和電子設(shè)備領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。氧化錫具有高的理論儲(chǔ)鋰容量(782mAh g~(-1)),低成本,易合成,較低的嵌鋰電位的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是極具潛力的鋰離子電池負(fù)極材料。然而,氧化錫鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用受到了自身性質(zhì)的限制。充放電過程中巨大的體積變化(約300%)導(dǎo)致了顆粒的粉化、團(tuán)聚甚至與基底材料剝離,造成電池容量下降快,循環(huán)性能差。因此,針對(duì)這類體積效應(yīng)明顯的負(fù)極材料,迫切需要開發(fā)一種可嵌入式的柔性多孔集流體。碳納米管有著獨(dú)特的石墨化片層結(jié)構(gòu)、大的長徑比、良好的導(dǎo)電性和力學(xué)性能。本文將碳納米管和柔性的紙纖維結(jié)合,制備了一種三維導(dǎo)電多孔結(jié)構(gòu)、表面粗糙、導(dǎo)電性良好、內(nèi)部蓬松多孔的柔性集流體。這種集流體與活性物質(zhì)的導(dǎo)電接觸面積大,黏附度高,充放電過程中活性物質(zhì)不易從集流體剝離,從而擁有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。為了提高碳納米管的純度、結(jié)晶度,對(duì)碳納米管進(jìn)行高溫石墨化處理。同時(shí),實(shí)驗(yàn)中對(duì)碳納米管導(dǎo)電紙的制備、碳納米管導(dǎo)電紙作集流體對(duì)氧化錫鋰離子電池的電化學(xué)性能影響、炭化碳納米管導(dǎo)電紙作集流體對(duì)氧化錫鋰離子電池的電化學(xué)性能影響進(jìn)行了深入的研究。得出結(jié)論如下:(1)高溫石墨化工藝通過蒸發(fā)的方式將生產(chǎn)時(shí)附著在碳納米管表面的雜質(zhì)消除,有利于提高碳納米管的純度。同時(shí),高溫石墨化使得石墨層結(jié)構(gòu)的各向異性膨脹,產(chǎn)生了巨大的內(nèi)應(yīng)力,結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)和缺陷得以消除,微晶重排,混亂的石墨層結(jié)構(gòu)趨于三維有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),大大提高了碳納米管的結(jié)晶度和石墨化度,能有效的提高碳納米管的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。(2)將高溫石墨化處理后的碳納米管和紙纖維素分別制備成懸濁液,并將兩者混合均勻后高速剪切,再通過真空抽濾的方式成功制備了碳納米管導(dǎo)電紙。這種柔性的三維多孔材料具有較低的密度、良好的導(dǎo)電性、表面粗糙不平和內(nèi)部蓬松多孔的特點(diǎn),是鋰離子電池理想的集流體材料。(3)將碳納米管導(dǎo)電紙代替銅箔集流體負(fù)載SnO_2-MWCNTs活性材料。這種三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的碳納米管導(dǎo)電紙,能有效緩解SnO_2充放電過程中的粉化、團(tuán)聚和開裂,保證電極材料的微觀完整性,提高活性材料的利用效率,改善SnO_2鋰離子電池負(fù)極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和庫倫效率,提高其倍率性能。尤其值得注意的是,對(duì)比銅箔為集流體的氧化錫鋰離子電池,該柔性導(dǎo)電紙作集流體的鋰離子電池循環(huán)后,電化學(xué)阻抗不升反降,這表明,該集流體能有效的緩解氧化錫活性材料的體積效應(yīng)。以200 mA g~(-1)的電流密度循環(huán)100次后還能保持在500mAh g~(-1)以上。(4)將碳納米管導(dǎo)電紙?zhí)炕幚?炭化后碳納米管導(dǎo)電紙有著更加優(yōu)異的導(dǎo)電性能,更低的密度,其三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提供了更多的電荷轉(zhuǎn)移通路界面,增強(qiáng)嵌鋰/脫鋰動(dòng)力學(xué),減輕了歐姆極化。兩種集流體除了為氧化錫活性材料提供負(fù)載載體外,都能提供一定的比容量,有助于提高鋰離子電池的能量密度。在200mA g~(-1)電流密度下循環(huán)100次后,炭化后集流體負(fù)載SnO_2/MWCNTs電極的可逆容量依然保持在897 mAh g~(-1),庫倫效率達(dá)到98%,與未炭化集流體負(fù)載SnO_2活性物質(zhì)相比,比容量提高了41.2%,表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。
【圖文】：

的鋰鹽主要有六氟磷鋰（LiPF6），有機(jī)酯類溶劑主要有碳酸乙烯酯酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）等。常見的正極材料為鋰的金屬有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料、磷酸亞鐵鋰等。在鋰離子勢(shì)高的正極，為負(fù)極提供鋰離子。常用的負(fù)極材料為碳基負(fù)極材開發(fā)的錫基材料、硅基材料、新型合金材料及新型核/殼結(jié)構(gòu)負(fù)極子電池的充放電過程為：充電時(shí)，正極材料的 Li+從正極富鋰氧化，通過隔膜，經(jīng)電解液到達(dá)負(fù)極材料表面，嵌入到負(fù)極材料中，平衡的緣故，電子經(jīng)外電路流向了負(fù)極，維持了整個(gè)電池系統(tǒng)的電時(shí)，Li+方向與充電相反，從負(fù)極脫出，通過隔膜，達(dá)到正極材到正極材料內(nèi)部，，電子經(jīng)外電路流向正極。在一個(gè)完整的充放電正負(fù)極來回穿梭，往復(fù)循環(huán)，如同搖椅，所以鋰離子電池有被稱。鋰離子電池的充放電原理（以石墨為負(fù)極，LiCoO2為正極為例

3.1 碳納米管的 SEM 表征圖 3.1 石墨化前（a）后（b）碳納米管SEM圖圖3.1是石墨化前后碳納米管SEM圖。圖中可以看出，碳納米管管形為直線型，高溫石墨化處理沒有改變碳納米管直線型管狀結(jié)構(gòu)。圖（a）石墨化前存在一定量的雜質(zhì)和非晶碳顆粒。高溫石墨化后，圖（b）雜質(zhì)和非晶碳顆粒明顯減少。由此可見，高溫石墨化可以蒸發(fā)雜質(zhì)和消除非晶碳顆粒，從而提高碳納米(a) (b)
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TS761.2;TM912

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2663197