锂离子电池负极材料-碳化钙骨架碳的制备及改性研究

摘要

碳化物骨架碳是一种新型多孔碳材料,具有制备成本低、孔径分布窄、比表面积大、孔径大小可控和环保无毒等优点,广泛地用于气体储存、摩擦磨损和超级电容器等各个领域。本文首次将低温制备的碳化钙骨架碳作为锂离子电池负极材料,研究了制备温度对其电化学性能的影响,同时为了改善碳化钙骨架碳的电化学性能,分别对碳化钙骨架碳进行了锂掺杂和双氧水氧化处理,研究了改性对材料性能的影响。
　　首先,以碳化钙为前躯体,二氧化锰和浓盐酸反应制备的新鲜氯气为刻蚀剂,在较低温下(400℃~700℃)制备碳化钙骨架碳(calcium carbide-derived-carbon,简称CCDC),并研究了制备温度对CCDC性能的影响。实验结果表明,制备的CCDC为无定形多孔碳材料,随着制备温度从400℃上升至700℃,CCDC的比表面积由658m2/g降至201m2/g,平均孔径由3.766nm增至3.842nm。其中,600℃下制备的CCDC具有最佳的电化学性能,在0.1C倍率下,首次充电比容量为335.4mAh/g,30次循环后比容量衰减为266.8mAh/g。
　　然后,为进一步降低CCDC的不可逆容量,提高它的电化学性能。分别以氢氧化锂和碳酸锂为锂源,对CCDC进行掺杂,研究了锂掺杂量对CCDC结构及电化学性能的影响。结果表明,锂的加入并不会明显改变CCDC的结构,但CCDC的首次不可逆容量明显下降,并且首次充电比容量明显有所提高。当掺杂氢氧化锂的质量分数为4％时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5C倍率下为350.9mAh/g,循环50次后充电比容量为266.7mAh/g,容量保持率为76.0%;当掺杂碳酸锂的质量分数为2%时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5C充放电倍率下为355.7mAh/g,循环50次后充电比容量为275.6mAh/g,容量保持率为77.5%。
　　最后,用双氧水为氧化剂对CCDC进行氧化,以达到提高CCDC充电比容量的目的。分别研究了双氧水浓度、氧化温度和氧化时间三个因素对双氧水氧化效果的影响。结果表明,采用2 mol/L双氧水在60℃下氧化4h得到的CCDC具有最佳的电化学性能。处理后CCDC在0.5C倍率下首次充电比容量由氧化前的306.7mAh/g提高到347.4mAh/g,循环50次后,充电比容量保持在279.4mAh/g,容量保持率为80.5%。氧化处理后CCDC的电化学性能有所提高,主要与CCDC表面结构改变有关。氧化处理后,在CCDC表面生成大量微孔和锂离子通道,为锂离子在CCDC中嵌入/脱嵌提供更多的通道,同时也增加了CCDC的储锂位置;同时,在CCDC表面生成一层氧化物膜,这有利于CCDC形成较好的SEI膜,改善其电化学性能。

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第1章 绪 论

1.1 锂离子电池概述

1.2 锂离子电池负极材料的分类及研究进展

1.3 碳负极材料的改性

1.4 碳化物骨架碳的研究进展与应用

1.5 本课题意义及主要研究内容

第2章 实验方法与原理

2.1 实验仪器与实验药品

2.2 材料表征

2.3 材料的电化学性能测试

第3章 制备温度对碳化钙骨架性能的影响

3.1 引言

3.2 材料的制备

3.3 物相分析

3.4 形貌分析

3.5 电化学性能测试

3.6 本章小结

第4章 锂掺杂对碳化钙骨架碳性能的影响

4.1 引言

4.2 氢氧化锂掺杂对CCDC性能的影响

4.3 碳酸锂掺杂对CCDC性能的影响

4.4 本章小结

第5章 氧化剂对碳化钙骨架碳性能的影响

5.1 引言

5.2 材料的制备

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间公开发表的论文

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