高性能鋰（鈉）離子電池碳基及合金類負(fù)極材料的制備及研究.pdf

1、環(huán)境污染及能源危機(jī)的日益加重使得綠色能源的開發(fā)越來越重要。其中，鋰離子電池由于其本身具有的質(zhì)量輕、容量高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好且無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)逐漸成為了二次電池發(fā)展的重要方向。另外一方面，伴隨著鋰離子的廣泛應(yīng)用，其資源分布及成本問題成為了其未來發(fā)展的瓶頸，而作為資源分布廣泛、成本低廉的鈉離子電池得到了研究者越來越多的關(guān)注，逐漸稱為未來高性能二次電池的重要選擇。當(dāng)前，商品化的鋰離子電池普遍采用石墨類材料作為負(fù)極材料，但是石墨材料本身較低的比

2、容量（理論可逆容量372 mAh g-1，LiC6），使得其性能提升空間不夠，并且過低的電壓平臺(tái)使得石墨類負(fù)極材料容易出現(xiàn)鋰金屬的沉積，導(dǎo)致安全問題。而在鈉離子電池中，傳統(tǒng)鋰離子電池中的石墨類負(fù)極材料由于碳原子層間距較小，理論上鈉離子存儲(chǔ)能力近乎為零。因此，近年來大量的研究人員集中于研發(fā)能夠用于鋰離子電池和鈉離子電池的新型負(fù)極材料。其中，碳基材料以及合金類負(fù)極材料由于能夠跟更多的鋰/鈉形成合金而具有更高的理論比容量，逐漸成為下一代高性能

3、鋰/鈉離子電池電極材料。本論文針對(duì)多孔碳基材料，鍺基材料以及磷基材料進(jìn)行了深入的研究，開發(fā)出了多種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的鋰（鈉）離子電池中負(fù)極材料:
　　第一章，本論文針對(duì)鋰（鈉）離子電池的發(fā)展、機(jī)理以及構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。本論文分別針對(duì)鋰（鈉）離子電池的正負(fù)極材料進(jìn)行了總結(jié)性概括，按照其結(jié)構(gòu)類型以及反映類型對(duì)于電極材料進(jìn)行了分析，并就此提出了本論文的研究背景以及研究思路。
　　第二章，本論文針對(duì)論文中所涉及的實(shí)驗(yàn)藥品、實(shí)驗(yàn)

4、方法以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)論文中所使用的部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
　　第三章，本論文針對(duì)鋰離子電池碳基負(fù)極材料，創(chuàng)造性的通過結(jié)合靜電紡絲方法與空氣活化方法制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的碳納米纖維，通過碳納米纖維的部分燃燒在碳納米纖維上形成大量的孔洞。并且，通過這種方法的多孔碳納米纖維呈現(xiàn)出極其好的柔韌性，可以直接作為工作電極進(jìn)行儲(chǔ)鋰性能測(cè)試。當(dāng)測(cè)量其電化學(xué)性能時(shí)，柔性多孔碳納米纖維在50 mA g-1的電流密度40次循環(huán)后的比容量為17

5、80 mA h g-1，并且表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能以及超長(zhǎng)的循環(huán)壽命（在500 mAg-1電流密度下循環(huán)600次后的比容量為1550 mA h g-1）。
　　第四章，本論文針對(duì)鈉離子電池碳基負(fù)極材料，通過靜電紡絲方法，以PAN為碳源，F(xiàn)127為軟模板造孔劑，制備了柔性的自支撐多孔碳納米纖維(P-CNFs)材料。通過軟模板F127造孔，在碳納米纖維上得到了大量的微孔，提供了大量的鈉離子儲(chǔ)存的位置，實(shí)現(xiàn)了碳材料儲(chǔ)鈉容量的提升，實(shí)現(xiàn)了

6、超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定，經(jīng)過1000次2C電流下的循環(huán)，P-CNFs的容量保持在140 mAh g-1.
　　第五章，本論文針對(duì)鋰離子電池鍺基負(fù)極材料，通過靜電紡絲方法得到了一種鍺納米顆粒包覆在碳納米纖維中的結(jié)構(gòu)(Ge@CNFs)。這種結(jié)構(gòu)一方面通過減小鍺顆粒的尺寸和碳纖維的包覆緩解了充放電中鍺體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力，使得鍺的循環(huán)性得到了大幅度的提高，每一個(gè)循環(huán)的容量衰減只有0.1％;另外一方面給通過三維相互交聯(lián)的碳納米纖維提高了材料整體的電導(dǎo)

7、率，使得鍺的倍率性能也有了很大程度的改善，實(shí)現(xiàn)了最高25 C電流下的接近300 mA h g-1的容量。
　　第六章，本論文針對(duì)鋰離子電池鍺基負(fù)極材料，為了研究維度對(duì)于鍺負(fù)極材料電化學(xué)性能的影響，我們通過靜電紡絲的方法和原位的CVD生長(zhǎng)方法合成了具有在碳納米纖維上生長(zhǎng)碳包覆鍺納米線的復(fù)合結(jié)構(gòu)的柔性電極材料。在小電流循環(huán)下，復(fù)合結(jié)構(gòu)優(yōu)良的儲(chǔ)鋰性能:在0.1C的電流下，鍺納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出1520 mA h g-1的容量。在大電流下

8、，鍺納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)依然表現(xiàn)出優(yōu)異的性能:在10C的大電流下，仍能保持480 mAh g-1的容量。
　　第七章，本論文針對(duì)紅磷基負(fù)極材料，設(shè)計(jì)了一種有序介孔碳(CMK-3)負(fù)載紅磷的結(jié)構(gòu)(P@CMK-3)。通過控制反應(yīng)過程中白磷的轉(zhuǎn)化量，使得孔道和紅磷之間中保留一定的空間。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠有效的緩解紅磷在充放電過程中的體積變化，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)循環(huán)性能的大幅度提高。儲(chǔ)鋰性能測(cè)試中，P@CMK-3實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)的循環(huán)性能，在1.2C電流循環(huán)