鋰/鈉電池碳基負(fù)極材料制備及電化學(xué)性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-05-31 19:03
在便攜式終端設(shè)備、新能源汽車和儲(chǔ)能電站急速發(fā)展的當(dāng)下,消費(fèi)者對鋰離子電池的性能要求愈加苛刻。傳統(tǒng)負(fù)極材料,如石墨,因其較低的容量(理論容量372mA h g-1)和較差的倍率性能,難以滿足高性能鋰離子電池的發(fā)展需求。此外,匱乏的鋰資源及高昂的成本也制約了鋰離子電池的未來發(fā)展。因此,學(xué)者們一方面開發(fā)鋰離子電池的高性能負(fù)極材料,另一方面尋找可替代的電池體系。硅材料由于其具有極高的儲(chǔ)鋰容量(4200 mA h g-1)成為新型鋰離子電池負(fù)極材料的理想選擇,而鈉離子電池因鈉資源儲(chǔ)量豐富、化學(xué)性質(zhì)與鋰相近而極有可能成為未來鋰離子電池的替代產(chǎn)品。而在諸多負(fù)極材料中,碳基負(fù)極材料具有較高的儲(chǔ)鋰/鈉理論容量,同時(shí)低成本、高電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)可控的優(yōu)良特性也使得碳基材料更容易制備,是高性能鋰/鈉離子電池負(fù)極材料的最優(yōu)選。本論文對碳基材料進(jìn)行研究,開發(fā)出具有優(yōu)異電化學(xué)性能的鋰/鈉離子電池碳基負(fù)極材料。研究結(jié)果如下:1.以微擴(kuò)層石墨為基體材料,混合少量納米硅,并加入瀝青使其在燒結(jié)過程中熱解,制備碳包覆的硅碳復(fù)合材料。結(jié)果表明,熱解碳緊密包覆聯(lián)結(jié)納米...
【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：67 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
（a）鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)（b）嵌鋰后的鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)
此外，硅材料在粉化過程中會(huì)暴露出新鮮的材料表面，充放電循環(huán)過程中同電解液劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致 SEI 膜的無限生長，過度消耗電解液中的鋰，不可逆容量進(jìn)一步升高，循環(huán)性能下降嚴(yán)重，如圖1.9。不僅硅元素如此，合金化負(fù)極材料體積膨脹的通病是目前其無法滿足高性能鋰離子電池的癥結(jié)所在，因此國內(nèi)外研究者從電極材料的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以改善合金型材料的電化學(xué)性能。首先是減小合金型材料的晶粒尺寸，通過納米化的方式降低材料體積，控制材料的表面形貌，減小體積變化對電極整體的壓力，進(jìn)而提高充放電循環(huán)中電極材料的穩(wěn)定性[46]。其次是設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)的電極材料，增加電解液接觸面積，減少鋰離子傳輸路徑，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)能減少合金型
用氧化法制備膨脹石墨，將石墨層間距擴(kuò)大到 0.43nm，以此提升儲(chǔ)鈉的可，然而氧化擴(kuò)層導(dǎo)致的一系列副反應(yīng)造成電池首次效率太低，無法進(jìn)一步商產(chǎn)，因此石墨類材料無法作為鈉離子電池負(fù)極材料的首選。相對于高度石墨化的石墨類材料，無定形碳材料因?yàn)槠漭^高混亂度的微，被認(rèn)為是鈉離子電池負(fù)極材料的最優(yōu)選之一。如圖 1.12，軟碳和硬碳都是碳，其中軟碳又稱為易石墨化碳，其在 2800oC 以上可以石墨化，微晶結(jié)構(gòu)對有序，層間距較為接近石墨類材料，因此其電導(dǎo)率較高。軟碳的前驅(qū)體來香族一類，如瀝青、焦、煤等石油類產(chǎn)品[64]。軟碳嵌鈉過程沒有明顯平臺(tái)，線在 1.0-0.01V 電壓區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)出一條傾斜曲線。研究發(fā)現(xiàn)，軟碳具有較多缺陷，缺陷位點(diǎn)處的結(jié)合能較高，因此導(dǎo)致軟碳放電平臺(tái)較高，軟碳的儲(chǔ)鈉要來源于缺陷存儲(chǔ)，在充放電過程中部分鈉也會(huì)嵌入微晶層間[64,65]。即便如高的混亂度，以及缺陷存儲(chǔ)的機(jī)理也導(dǎo)致軟碳材料呈現(xiàn)出較高的不可逆容首次效率較低。另一方面，軟碳較高的儲(chǔ)鈉電位能夠避免大電流下鈉的沉積電池的極化反應(yīng)，材料的倍率性能較好。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鈉離子電池正極材料研究進(jìn)展[J]. 方永進(jìn),陳重學(xué),艾新平,楊漢西,曹余良. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2017(01)
[2]碳基負(fù)極材料儲(chǔ)鈉反應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 邱珅,吳先勇,盧海燕,艾新平,楊漢西,曹余良. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 2016(03)
本文編號(hào)：3208798
【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：67 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
（a）鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)（b）嵌鋰后的鈦酸鋰晶體結(jié)構(gòu)
此外，硅材料在粉化過程中會(huì)暴露出新鮮的材料表面，充放電循環(huán)過程中同電解液劇烈反應(yīng)，導(dǎo)致 SEI 膜的無限生長，過度消耗電解液中的鋰，不可逆容量進(jìn)一步升高，循環(huán)性能下降嚴(yán)重，如圖1.9。不僅硅元素如此，合金化負(fù)極材料體積膨脹的通病是目前其無法滿足高性能鋰離子電池的癥結(jié)所在，因此國內(nèi)外研究者從電極材料的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)上進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，以改善合金型材料的電化學(xué)性能。首先是減小合金型材料的晶粒尺寸，通過納米化的方式降低材料體積，控制材料的表面形貌，減小體積變化對電極整體的壓力，進(jìn)而提高充放電循環(huán)中電極材料的穩(wěn)定性[46]。其次是設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)的電極材料，增加電解液接觸面積，減少鋰離子傳輸路徑，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)能減少合金型
用氧化法制備膨脹石墨，將石墨層間距擴(kuò)大到 0.43nm，以此提升儲(chǔ)鈉的可，然而氧化擴(kuò)層導(dǎo)致的一系列副反應(yīng)造成電池首次效率太低，無法進(jìn)一步商產(chǎn)，因此石墨類材料無法作為鈉離子電池負(fù)極材料的首選。相對于高度石墨化的石墨類材料，無定形碳材料因?yàn)槠漭^高混亂度的微，被認(rèn)為是鈉離子電池負(fù)極材料的最優(yōu)選之一。如圖 1.12，軟碳和硬碳都是碳，其中軟碳又稱為易石墨化碳，其在 2800oC 以上可以石墨化，微晶結(jié)構(gòu)對有序，層間距較為接近石墨類材料，因此其電導(dǎo)率較高。軟碳的前驅(qū)體來香族一類，如瀝青、焦、煤等石油類產(chǎn)品[64]。軟碳嵌鈉過程沒有明顯平臺(tái)，線在 1.0-0.01V 電壓區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)出一條傾斜曲線。研究發(fā)現(xiàn)，軟碳具有較多缺陷，缺陷位點(diǎn)處的結(jié)合能較高，因此導(dǎo)致軟碳放電平臺(tái)較高，軟碳的儲(chǔ)鈉要來源于缺陷存儲(chǔ)，在充放電過程中部分鈉也會(huì)嵌入微晶層間[64,65]。即便如高的混亂度，以及缺陷存儲(chǔ)的機(jī)理也導(dǎo)致軟碳材料呈現(xiàn)出較高的不可逆容首次效率較低。另一方面，軟碳較高的儲(chǔ)鈉電位能夠避免大電流下鈉的沉積電池的極化反應(yīng)，材料的倍率性能較好。
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鈉離子電池正極材料研究進(jìn)展[J]. 方永進(jìn),陳重學(xué),艾新平,楊漢西,曹余良. 物理化學(xué)學(xué)報(bào). 2017(01)
[2]碳基負(fù)極材料儲(chǔ)鈉反應(yīng)的研究進(jìn)展[J]. 邱珅,吳先勇,盧海燕,艾新平,楊漢西,曹余良. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù). 2016(03)
本文編號(hào)：3208798
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