氧化微扩层天然石墨负极的制备及其电化学性能的研究

摘要

天然石墨是目前最常用的商业锂离子电池负极材料。然而，石墨层间结合力主要为范德华力，在充放电过程中的体积膨胀和收缩，易发生石墨片层剥离及粉化，导致循环性能不佳。此外，天然石墨还存在可逆容量偏低（372 mAh/g）和倍率性能不理想的缺点。因此，天然石墨通常需改性处理后才能用作锂离子电池负极。
　　氧化微扩层处理是一种操作相对简单，且成本较低的石墨改性方法。它是通过一定的工艺将石墨片层微膨开，既可缓解锂离子嵌脱过程导致的体积膨胀和收缩，提高石墨负极的循环性能，又可扩宽锂离子扩散通道，改善其倍率性能，还可增大石墨的锂离子储存空间，提高石墨负极的可逆容量。
　　本论文重点考察了氧化微扩层石墨制备过程中，氧化剂种类和反应时间对不同石墨原料结构及电化学性能的影响，并通过氧化微扩层前后石墨的晶体结构、表面形貌、物理特性（比表面积、孔径分布、振实密度）及电化学性能变化研究了氧化微扩层处理对天然石墨结构及电化学性能的影响规律。
　　研究发现，天然鳞片石墨经氧化微扩层处理后，石墨层间距略微增大，平均晶粒尺寸Lc显著减小，延长反应时间，石墨表面发生片层剥离。经弱氧化剂-有机酸氧化微扩层3h后，首次可逆容量及库伦效率分别由石墨原料的331.9 mAh·g-1和86.5％提高至366.7 mAh·g-1和89％;经强氧化剂-有机酸处理1h后，石墨的比表面积由3.45 m2/g减小到2.69 m2/g，同时2～4 nm之间的孔容增加，首次可逆容量及库伦效率分别达364.7 mAh·g-1和88.8％。
　　球形石墨经氧化微扩层处理后，石墨层间距略有增大，平均晶粒尺寸Lc显著减小，反应时间过长，石墨表面发生片层剥离。经弱氧化剂-有机酸处理2h后，球形石墨的形貌未发生显著变化，但振实密度由1.160 g/cm3降低至0.945 g/cm3，比表面积由4.69 m2/g增大到5.15 m2/g。首次可逆容量从球形石墨原料的363.0mAh·g-1提高至392.7 mAh·g-1。1C下的可逆容量较球形石墨原料提高了46.3％，容量保持率为0.1C时的86.4％。经强氧化剂-有机酸处理1h的球形石墨，首次可逆容量提高至381.5 mAh·g-1，经30次充放电循环，容量保持率为99.71％，而球形石墨原料的容量保持率仅为99.20％，且1C下的可逆容量仍保持了0.1 C时的84.3％。
　　研究表明，在氧化微扩层石墨制备过程中，氧化剂种类和反应时间是控制其结构及电化学性能的重要参数。氧化微扩层处理能轻微增大石墨的层间距，提高其可逆容量并减小嵌脱锂反应的电位差，显著提高天然石墨的电化学性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池的发展概述

1．2 锂离子电池的工作原理及特点

1．2．1 锂离子电池的工作原理

1．2．2 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池负极材料

1．3．1 炭负极材料

1．3．2 其它负极材料

1．4 炭负极材料的储锂机制

1．4．1 石墨层间储锂机制

1．4．2 锂分子储锂机制

1．4．3 微晶层面、表面、边缘储锂机制

1．4．4 碳-锂-氢储锂机制

1．4．5 微孔储锂机制

1．5 石墨材料的改性研究

1．5．1 表面氧化改性

1．5．2 表面炭包覆处理

1．5．3 元素掺杂

1．5．4 微扩层处理

1．6 选题依据及主要研究内容

1．6．1 选题依据

1．6．2 主要研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料及仪器设备

2．1．1 原料与化学试剂

2．1．2 仪器设备

2．2 实验方法

2．2．1 材料制备

2．2．2 材料结构的表征

2．2．3 电池的装配及电化学性能测试

第三章 氧化微扩层处理对鳞片石墨结构及其电化学性能的影响

3．1 过氧化氢-有机酸处理对鳞片石墨结构及电化学性能的影响

3．1．1 过氧化氢-有机酸处理对鳞片石墨结构的影响

3．1．2 过氧化氢-有机酸处理对鳞片石墨电化学性能的影响

3．2 浓硝酸-有机酸处理对鳞片石墨结构及电化学性能的影响

3．2．1 浓硝酸-有机酸处理对鳞片石墨结构的影响

3．2．2 浓硝酸-有机酸处理对鳞片石墨电化学性能的影响

3．3 炭包覆对氧化微扩层鳞片石墨结构及电化学性能的影响

3．3．1 炭包覆对弱氧化微扩层鳞片石墨结构及电化学性能的影响

3．3．2 炭包覆对强氧化微扩层鳞片石墨结构及电化学性能的影响

3．4 本章小结

第四章 氧化微扩层处理对球形石墨结构及其电化学性能的影响

4．1 过氧化氢-有机酸处理对球形石墨结构及电化学性能的影响

4．1．1 过氧化氢-有机酸处理对球形石墨结构的影响

4．1．2 过氧化氢-有机酸处理对球形石墨电化学性能的影响

4．2 浓硝酸-有机酸处理对球形石墨结构及电化学性能的影响

4．2．1 浓硝酸-有机酸处理对球形石墨结构的影响

4．2．2 浓硝酸-有机酸处理对球形石墨电化学性能的影响

4．3 炭包覆对氧化微扩层球形石墨结构及电化学性能的影响

4．3．1 炭包覆对弱氧化微扩层球形石墨结构及电化学性能的影响

4．3．2 炭包覆对强氧化微扩层球形石墨结构及电化学性能的影响

4．4 本章小结

第五章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢