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炭凝胶及其复合材料用于锂离子电池负极材料研究

巢亚军  
【摘要】: 从小型电子装置所需微电池到大的电动车动力源,锂离子电池正得到越来越广泛的重视和应用,已成为21世纪极具发展潜力的新型化学电源。锂离子电池性能的改善主要取决于嵌锂电极材料能量密度和循环寿命的提高。目前,锂离子电池广泛采用的负极材料为石墨类碳,理论储锂容量较低,开发高性能负极材料成为锂离子电池材料研究热点。 炭凝胶是一种轻质、多孔、非晶态纳米炭材料,其连续的三维网络结构可在纳米尺度控制和剪裁。因其独特的网络结构,炭气凝胶具有导电性好、比表面积大、密度变化范围宽等特点,是理想的电化学能源材料,可作为锂离子电池、超级电容器电极材料,以及燃料电池电催化剂载体。 本文以间苯二酚和甲醛为原料,在碳酸钠催化作用下,经溶胶-凝胶缩聚、三氟乙酸老化、干燥(超临界干燥、常压干燥或冷冻干燥)及高温炭化等工艺过程得到炭凝胶。采用SEM、TEM、低温N2吸附和XRD等手段研究了炭凝胶的结构,详细考察了制备工艺对炭凝胶结构的影响。测试结果表明,炭凝胶呈现多孔性三维网络结构。其中,经超临界干燥得到的炭气凝胶粒径较小且分布均匀。经超临界干燥所得炭气凝胶的BET比表面积高达556 m2·g-1,在10-20nm范围具有集中的孔径分布。炭凝胶是处于无定型态和石墨之间的炭材料,炭干凝胶和炭冷冻凝胶的石墨化程度大于炭气凝胶。起始反应物浓度、催化剂用量、起始pH值和干燥工艺对炭凝胶结构影响较大。 本文以炭凝胶作为锂离子电池电极材料,采用充放电、循环伏安和交流阻抗等方法测量了炭凝胶的电化学性能。测试结果表明,炭气凝胶的电化学性能优于炭干凝胶和炭冷冻凝胶,具有较高的比容量和良好的循环性能。炭气凝胶首次可逆容量可达500.7mAh·g-1,大于石墨的理论储锂容量(372mAh·g-1),50次循环后的可逆容量仍可维持在317.1mAh·g-1,容量保持率达63.3%,充放电效率超过99%。 本文首次以炭凝胶和高比容量的硅基材料(Si和SiO)为原料,通过高能球磨制备了硅/碳复合材料,考察了掺杂元素、掺杂比例和球磨工艺对复合材料结构和电化学性能的影响。测试结果表明,炭凝胶/硅基复合材料粒子均匀,硅的特征衍射峰明显。炭凝胶-SiO复合材料的电化学性能优于炭凝胶-Si复合材料;以配比为3:1(wt%)所制得炭凝胶-Si和以配比为1:1(wt%)所制得炭凝胶-SiO性能较好;合成的最佳球磨工艺为:球磨时间为10h,球磨转速为400rpm,所制备的复合材料表现出最好的电化学性能。 对高能球磨法所合成炭凝胶硅基复合材料电化学行为进行了研究,结果表明,炭气凝胶硅基复合材料(CA-Si和CA-SiO)在炭凝胶硅基复合材料中具有较高的容量和良好的循环稳定性能。尤其是CA-SiO复合材料首次嵌锂容量高达1942 mAh·g-1,首次可逆容量为984.6 mAh·g-1,该复合材料在50次循环后的可逆容量仍可维持在635.3 mAh·g-1,容量保持率达66.4%,充放电效率超过98%。


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1 巢亚军;炭凝胶及其复合材料用于锂离子电池负极材料研究[D];上海交通大学;2007年
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