鋰離子電池高性能負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、鋰離子電池由于具有高的能量密度、高的輸出電位和無污染等優(yōu)點(diǎn)，在廣泛用于手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦等小型電器的同時(shí)，在電動(dòng)車等大型電動(dòng)設(shè)備上也有著廣闊的應(yīng)用前景。要把鋰離子電池真正用于大型電動(dòng)設(shè)備上，良好的高倍率充放電性能和高的可逆容量是其必須具備的關(guān)鍵性能。但目前鋰離子電池這兩方面的性能均有待于進(jìn)一步提高，這已成為鋰離子電池在大型電動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用的“瓶頸"。 負(fù)極材料是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵之一，針對(duì)目前鋰離子電池炭負(fù)極材料在高倍率

2、充放電時(shí)具有較大容量衰減和較低可逆容量的問題，本論文首先設(shè)計(jì)制備具有不同孔隙率和長(zhǎng)徑比的炭材料，采用SEM、TEM、HREM、XRD、BET和一系列電化學(xué)手段系統(tǒng)考察它們的形貌、結(jié)構(gòu)和作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)的電化學(xué)性能，包括可逆容量、庫侖效率、循環(huán)性能、儲(chǔ)鋰機(jī)理及動(dòng)力學(xué)性能等；并在此基礎(chǔ)上，分析炭材料的形貌、結(jié)構(gòu)與其電化學(xué)性能的相關(guān)性，得出孔隙率和長(zhǎng)徑比對(duì)炭材料高倍率性能的影響原因。這將為具有良好高倍率性能的鋰離子電池炭負(fù)極材料的設(shè)計(jì)

3、奠定基礎(chǔ)。然后以既具有較高導(dǎo)電性又具有適當(dāng)孔隙率的炭材料作為錫和錫氧化物的緩沖材料制備新型錫和錫氧化物/炭復(fù)合材料，利用FE-SEM、XRD、EDX、XPS等技術(shù)對(duì)其形貌和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用恒電流充放電、循環(huán)伏安(CV)和交流阻抗(ElS)等技術(shù)對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析，考察制備條件、形貌結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能的關(guān)系，優(yōu)化條件制備出具有較高可逆容量、較好循環(huán)性能的新型復(fù)合負(fù)極材料。這對(duì)拓寬新型炭材料的研究領(lǐng)域和促進(jìn)高容量鋰離子電池負(fù)極

4、材料的發(fā)展有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。研究結(jié)果表明，孔隙率對(duì)膨脹中間相瀝青炭微球(Expandedmesocarbon microbeads，EMCMB)高倍率性能的影響是通過改變電解液在電極材料中的浸潤量，從而改變反應(yīng)固/液界面狀態(tài)，進(jìn)而影響鋰離子在固/液界面的電化學(xué)活性實(shí)現(xiàn)的。而長(zhǎng)徑比對(duì)碳納米管(Carbonnanotubes，CNTs)高倍率性能的影響則主要是通過改變鋰離子在材料中的擴(kuò)散路徑和速率實(shí)現(xiàn)的。在優(yōu)化的條件下，EMCMB和長(zhǎng)

5、徑比小的CNTs在較大電流密度下(0.8 mA-cm<'-2>)充放電時(shí)，可逆容量分別可達(dá)到260和170 mAh·g<'-1>。，且具有良好的循環(huán)性能。 以既具有較高導(dǎo)電性又具有適當(dāng)孔隙率的炭材料(EMCMB、膨脹石墨(Expanded graphite，EG)、籠狀碳納米管球)作為錫和錫氧化物的緩沖材料來制備新型錫和錫氧化物/炭復(fù)合材料時(shí)，緩沖材料的種類、制備方法、制備條件和錫含量對(duì)復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能均產(chǎn)生很大

6、影響。其中在優(yōu)化的條件下，錫和錫氧化物/EMCMB復(fù)合材料具有401 mAh·g<'-1>的可逆容量和30次循環(huán)后94％的容量保持能力，在較大電流密度下充放電時(shí)仍具有較高的可逆容量和循環(huán)性能；氧化亞錫/EG復(fù)合材料也具有350 mAh·g<'-1>，在30次循環(huán)過程中無容量衰減的良好電化學(xué)性能；原位法制備出的二氧化錫/籠狀碳納米管球復(fù)合材料的可逆容量高達(dá)669 mAh·g<'-1>，而浸漬炭化法制備的二氧化錫/籠狀碳納米管球復(fù)合材料在3