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锂离子电池炭负极材料的制备与性能及应用研究

郭华军  
【摘要】: 锂离子电池以其工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率低、“绿色”环保等众多优点而备受人们关注。本文详细总结了锂离子电池及其炭负极材料的研究进展。进一步提高性能和降低成本是锂离子电池发展和改进的主要方向。由于炭负极材料研究时间短、种类繁多,研究开发高性能、低成本的炭负极材料是改善锂离子电池性能和降低电池成本的关键。 采用XRD、BET、ICP、激光粒径分析及电化学性能测试等方法,对国内外多种典型石墨样品的结构与性能进行比较,研究石墨材料的来源、晶体结构、杂质含量、颗粒大小、比表面积等因素对其充放电性能的影响,确定一种性能较好、价格低廉、来源广泛的普通人造石墨粉作为热处理与掺杂改性、以及复合结构炭材料研究的原材料。 在空气中对人造石墨进行热处理改性研究。结果表明,随着热处理温度的升高和恒温时间的延长,石墨材料的石墨化度、石墨微晶尺寸L_c及L_a逐渐增大,比表面积减小,平均粒径增大,充放电性能得到改善。在人造石墨中掺杂Li或Al并进行热处理,Li和Al分别以CH_3COOLi、AID_3的形式存在于石墨材料中,电极性能得以进一步提高。以热处理或掺杂改性石墨为负极的锂离子电池的放电容量增加,放电中值电压升高,循环性能显著提高。其中以掺Li石墨为负极的锂离子电池的综合性能较为理想。 分别以蔗糖和热固性酚醛树脂为前驱体,在高温下热解得到了无序层状结构热解炭材料。随着热处理温度的升高和恒温时间的延长,所得炭材料的有序化程度增加,比表面积减小,可逆嵌锂容量与不可逆容量均减小,首次充放电效率增大,电压滞后现象得到抑制。研究了升温速度及方式对热解炭材料的结构与性能的影响。得到蔗糖及酚醛树脂热解的优化工艺。 采用在人造石墨表面包覆一层高分子有机物后热解的方法制备出复合结构炭材料。XRD、SEM、BET及激光粒径分析的结果表明,在人造石墨表面存在一薄层无定形炭层。研究了壳层炭材料的前驱体分别为蔗糖和酚醛树脂时所得复合炭材料的结构与性能。通过在人造石墨表面包覆硅烷聚合物与酚醛树脂的混合物后高温热解的方法,将杂质元素硅引入到复合炭材料的表面无定形炭层中。Li/C模拟电池及以各种复合炭材料作负极的锂离子电池性能测试结果表明,包覆适量的酚醛树脂和蔗糖所得的复合炭材料的充放电性能与循环稳定性明显提高,含硅复合炭材料具有比包覆酚醛树脂所得复合炭材料更好的充放电和循环性能。 以煤焦油为原料,经聚合、分离、炭化、石墨化后得到中间相炭微球。通过在聚合过程中控制合适的工艺条件及加入炭素添加剂,获得了球形度好、粒径分布较窄的MCMB,所得产品无须分级,使得制备石墨化MCMB的产率提高,生产成本降低。详细研究了粒径对MCMB的比表面积、电化学性能,热处理温度对MCMB的结构、杂质含量、比表面积、电化学性能的影响。与国内外同类产品的比较结果表明,本研究的MCMB具有优异的充放电性能和循环稳定性,是一种较为理想的锂离子电池负极材料。 采用线性极化及恒电位阶跃的方法研究了各种炭材料的嵌锂动力学行为。结果表明,随着嵌锂量的增加,炭电极的交换电流密度及锂在炭材料中的扩散系数增大;本实验研究的六类炭材料中, 中南大学博士学位论文 摘要 蔗糖热解炭及酚醛树脂热解炭的交换电流密度最大,但扩散系数较小;与人造石墨比较,改性石墨 和复合炭材料的交换电流密度与理的固相扩散系数明显增加。将人造石墨、改性石墨、复合炭材料 及石墨化MCMB 电极在不同倍率电流下放电,随着放电电流倍率的增加,各种炭材料的放电容量 减小,其中复合炭材料的高倍率放电性能最好。 通过对石墨材料的结构分析,以及石墨微晶中不同位置碳原于上电子分布的量化计算,确定石 墨微晶表面基平面上的碳原子与边缘碳原子电化学活性的差别。推导出石墨中边缘碳原子及表面碳 原子含量的计算公式。提出边缘碳原子及表面碳原子含量对炭材料嵌理性能的作用机理,并导出该 机理的具体表现形式,即炭材料的形貌、比表面积、颗粒大小、有序化程度等结构与物理特性对炭 材料的嵌狸性能的影响。给出机理的实验依据,并应用该机理分析了对人造石墨进行热处理改性, 以及在人造石墨表面包覆无定形炭形成复合结构炭材料对其电化学性能的影响。 洋细研究了炭负极中粘结剂、添加剂以及活化过程中充电电流、充电容量等对埋离子电池性能 的影响,在此基础上研究开发了优化的理离子电池生产工艺。将人造石墨、改性石墨、复合炭材料 及石墨化MCMB应用于理离子电池。详细、系统地测试了各类炭材料为负极的理离子电池的充放 电容量、内阻、快速充放电特性、循环性能、自放电率等各项性能,并对各类炭材料应用于理离子 电池进行综合评价。 采用具有优异的高倍率充放电性能和循环稳定性的复合炭材料为负极,研制开发出!ZAh动力 型钾离子电池。充放电性能测试的结果表明,该电池具有较好的充放电性能和很高体积能量密度, 质量能量密度亦达到国际同类电池先进水平。


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