锂离子电池用高容量碳素基负极材料的自组装制备及性能研究

摘要

电动车行业的发展，对锂离子电池能量密度与功率密度等方面的性能提出了越来越高的要求，开发具有高容量与高倍率电极材料对锂离子电池技术的发展有着重要的意义。本文在国家自然基金(51274240)的资助下，利用自组装技术开展了高能锂离子电池用碳基复合负极材料的探索研究。采用自组装技术制备碳纳米管/石墨烯(CNT/GNS)复合负极材料，并探索其微观结构和储锂性能;针对氧化锡(SnO2)负极材料存在导电性和循环性能差的缺陷，利用自组装技术制备氧化锡/碳纳米管(SnO2/CNT)和氧化锡/石墨烯(SnO2/GNS)两种复合材料，并详细研究它们的电化学储锂性能。研究得出以下结论:
　　(1)利用氨基化碳纳米管和羧基化石墨烯之间的静电相互作用制备出了CNT/GNS复合负极。CNT与GNS的结合紧密，呈现出片层状结构，该负极自组装层数与厚度成线性增长关系，其储锂容量可通过自组装层数进行有效调控。在0.01～3 V的电压范围和0.01mA/cm2的电流密度条件下，具有80层的CNT/GNS复合负极能输出0.265 mAh/cm2的首次可逆容量，当电流密度为0.4 mA/cm2时，该负极的可逆容量仍然为0.030 mAh/cm2;
　　(2)利用碳纳米管表面含氧官能团与Sn2+离子静电相互作用的自组装原理制备出了成分均匀、性能优异的SnO2/CNT复合负极材料。在0.01～2V的电压范围和100 mA/g的电流密度下，该复合负极首次可逆容量为898.4 mAh/g，经100次循环充放电后，可逆容量为489.7mAh/g，容量保持率约为54.5％。当电流密度提高为500 mA/g时，其可逆容量为340 mAh/g;
　　(3)利用自组装技术制备出了具有夹层结构的SnO2/GNS复合材料。在100 mA/g的电流密度下具有850.9 mAh/g的首次脱锂容量，经50次循环后，可逆容量为502.5 mAh/g，容量保持率约为59.1％。当电流密度为500 mA/g时，其可逆容量仍为355 mAh/g。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 锂离子电池概述

1．1．1 锂离子电池发展历程

1．1．2 锂离子电池的组成及工作原理

1．2 锂离子电池负极材料的研究进展

1．2．1 锂离子电池碳负极材料

1．2．2 锂离子电池非碳负极材料

1．2．3 锂离子电池复合负极材料

1．3 锂离子电池复合负极材料的制备技术

1．3．1 水热合成法

1．3．2 化学气相沉积法

1．3．3 自组装技术

1．4 论文的选题意义及研究思路

1．4．1 选题意义

1．4．2 研究思路

2 实验器材及表征技术

2．1 实验原料和仪器设备

2．2 材料物理性能测试

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 场发射扫描电子显微镜

2．2．3 原子力显微镜

2．2．4 透射电子显微镜

2．2．5 红外光谱检测

2．2．6 拉曼光谱检测

2．2．7 XRD分析检测

2．2．8 热重分析

2．3 材料电化学性能测试

2．3．1 扣式电池的组装

2．3．2 恒流充放电测试

2．3．3 循环伏安测试

2．3．4 交流阻抗测试

3 碳纳米管／石墨烯负极的自组装制备及其性能研究

3．1 材料的制备

3．1．1 氨基化碳纳米管的制备

3．1．2 羧基化石墨烯的制备

3．1．3 电极的制备

3．2 自组装制备碳纳米管／石墨烯复合负极性能研究

3．2．1 CNT／GNS复合电极宏观形貌分析

3．2．2 TEM分析

3．2．3 FESEM和AFM分析

3．2．4 SEM分析

3．2．5 Raman和FITR分析

3．2．6 电导率分析

3．2．7 循环伏安分析

3．2．8 恒流充放电分析

3．2．9 倍率性能分析

3．2．10 交流阻抗分析

3．2．11 CNT／GNS复合负极材料的嵌脱锂模型

3．3 本章小结

4 自组装制备氧化锡／碳纳米管复合负极性能研究

4．1 氧化锡／碳纳米管复合材料的自组装制备

4．2 自组装制备氧化锡／碳纳米管复合电极性能研究

4．2．1 XRD分析

4．2．2 热重分析

4．2．3 SEM和TEM分析

4．2．4 循环伏安分析

4．2．5 恒流充放电分析

4．2．6 倍率性能分析

4．2．7 SnO2／CNT复合材料的储锂模型

4．3 本章小结

5 自组装制备氧化锡／石墨烯复合负极性能研究

5．1 氧化锡／石墨烯复合材料的自组装制备

5．2 自组装制备氧化锡／石墨烯复合电极性能研究

5．2．1 XRD分析

5．2．2 热重分析

5．2．3 SEM和TEM分析

5．2．4 循环伏安分析

5．2．5 恒流充放电分析

5．2．6 倍率性能分析

5．2．7 SnO2／GNS复合材料的储锂模型

5．3 本章小结

6 结论

6．1 论文结论

6．2 展望与建议

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢