静电纺丝制备自支撑锂/钠电池负极材料的研究

摘要

自1991年日本SONY公司第一次将商用锂离子电池投放市场以来，锂离子电池由于高的能量密度，低的自放电率，长的循环使用寿命，轻质以及便于携带等优点，不仅受到了研究人员的广泛关注，并且得到了消费者的广泛认可。近年来，随着电动汽车和大型储能设备的发展，人们对锂离子电池的充放电速率，循环寿命，功率/能量密度也提出了更高的要求。然而锂资源有限的储量以及未来不断攀升的价格也使得钠离子电池得到了各国研究人员的重视。钠离子电池由于低廉的成本和丰富的储量因而被认为在大型储能设备，如智能电网的储能转换装置上，具有广阔的应用前景。其中，锂/钠电池中的电极材料的成分和结构对电池的电化学性能都有着直接的影响。
　　碳材料作为锂（钠）电池中最具有商业应用前景的电极材料，具有稳定的电化学性能，但较低的储锂（钠）容量制约了其在未来电池中的应用。因而探索和开发高储存容量的储锂/钠负极材料具有重要的意义。本文利用新颖简便的静电纺丝方法制备了一系列自支撑3D结构的碳纤维与其他材料的复合负极，并对所制备负极材料的成分以及结构进行了详尽地表征分析，同时测试了其作为锂/钠二次电池电极负极时的电化学性能，并验证了本文中所开发的自支撑柔性电极材料优异的电化学性能。本文主要研究内容包括:
　　通过静电纺丝技术将硅/石墨烯颗粒与PAN溶液纺成具有3D网络结构的薄膜，随后在氩气气氛下将PAN碳化制得类似心脏冠状动脉结构的硅/石墨烯@碳纤维(G/Si@CFs)的复合负极材料。自支撑的G/Si@CFs复合负极在100mA g-1的电流密度下可获得高达1036.7mA h g-1的可逆比容量，是商业石墨负极的四倍。该锂离子电池循环200圈后，G/Si@CFs复合材料放电比容量为896.8mA h g-1，拥有容量保持率高达86.5％，在1000mA g-1的大电流密度下充放电，G/Si@CFs依然可保持大小为543mA h g-1的放电比容量。
　　通过静电纺丝和蒸发冷凝的方法制备了自支撑柔性磷/碳纤维@氧化还原石墨烯(P/CFs@RGO)复合材料，同时采用浸润方法将还原氧化石墨烯膜均匀包覆在材料表面。P/CFs@RGO材料在钠离子电池负极中具有非常稳定的电化学性能，在50mA g-1的电流密度下，自支撑P/CFs@RGO电极的可逆放电比容量可高达958.7mA h g-1，55次循环后的放电比容量为725.9mA h g-1，电极容量保持率可达75.7％。P/CFs@RGO复合材料在大电流密度下依然具有优良的电化学性能，在高电流密度1Ag-1下，P/CFs@RGO电极在180次循环后仍能获得406.6mA h g-1的放电比容量，P的容量贡献约为1179.9mA h g-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 静电纺丝的设备和工作原理

1．2．1 静电纺丝的装置和纺丝过程

1．2．2 静电纺丝的工作原理

1．2．3 静电纺丝的影响因素

1．3 静电纺丝技术在锂离子电池中的应用

1．3．1 锂离子电池发展历史

1．3．2 锂离子电池的工作原理

1．3．3 锂离子电池电极材料

1．3．4 静电纺丝技术在硅碳负极中的应用

1．4 静电纺丝技术在钠离子电池中的应用

1．4．1 钠离子电池的工作原理

1．4．2 钠离子电池电极材料

1．4．3 静电纺丝技术在钠离子电池负极中的应用

1．5 本文的意义及主要研究内容

2．1 实验原料及仪器设备

2．1．1 实验材料及化学试剂

2．1．2 实验仪器及设备

2．2 材料结构表征与分析

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 场发射扫描电子显微镜

2．2．3 高分辨透射电子显微镜

2．2．4 X射线光电子能谱分析

2．2．5 拉曼光谱分析

2．2．6 热重分析

2．3 电化学性能测试

2．3．1 锂钠离子电池电极极片的制备过程

2．3．2 扣式电池的组装过程

2．3．3 扣式电池电化学测试

第三章 静电纺丝制备硅碳柔性锂离子电池负极材料及其电化学性能研究

3．1 前言

3．2 硅碳柔性锂离子电池负极材料的制备

3．3 结果分析讨论

3．3．1 硅碳柔性锂离子电池负极的表征

3．3．2 心脏冠状动脉结构硅碳负极的电化学性能分析

3．4 本章小结

第四章 静电纺丝制备磷碳柔性钠离子电池负极材料及其电化学性能研究

4．1 前言

4．2 磷碳柔性钠离子电池负极材料的制备

4．3 结果分析讨论

4．3．1 磷碳钠离子电池负极的表征

4．3．2 磷碳钠离子电池负极的电化学性能分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

附录