熔盐电解法制备纳米碳材料及其作为锂离子电池负极材料的研究

摘要

本研究以熔盐电解的方法制备了含有纳米碳管的碳材料，采用XRD、TEM、TGA-DTA、Raman散射等手段对碳材料的形貌、结构和性质进行表征，并将制备的纳米碳材料作为锂离子电池负极材料对其充放电行为进行了研究。 本文考查了在单一熔盐LiCl、混合熔盐LiCl(63wt％)+NaCl(37wt％)、LiCl(99wt％)+SnCl2(1wt％)、LiCl(62.3wt％)+NaCl(36.7wt％)+SnCl2(1wt％)体系中，熔盐成分、电解电压、电流及电解温度对制备的碳材料结构、形态及组成的影响。研究发现，采用LiCl(63％)+NaCl(37％)为熔盐电解体系、以直径φ6mm的石墨棒为阴极、恒电压8.4V、电解温度为620℃和在LiCl(62.3wt％)+NaCl(36.7wt％)+SnCl2(1wt％)熔盐体系中、直径φ10mm的石墨棒为阴极、恒电压18V、温度620℃下制备的碳材料中纳米碳管含量较高。两种条件下制备的碳管形貌相似，管径均匀，为10～20nm，碳管呈丝状且缠绕在一起。XRD分析表明，碳材料较纯净，平均粒径分别为23nm、47nm。对LiCl(63wt％)+NaCl(37wt％)制备的碳材料进行TGA-DTA、Raman散射分析表明，纳米碳管含量约为30％，石墨化程度较高。对LiCl(62.3wt％)+NaCl(36.7wt％)+SnCl2(1wt％)熔盐体系中电解制备的碳材料进行XRD分析表明，纳米碳材料中含有一定量的Sn和SnO2。 以LiCl(63wt％)+NaCl(37wt％)为熔盐、以直径φ6mm的石墨棒为阴极、恒电压8.4V、电解温度为620℃下所制备碳材料作为锂离子电池负极材料，首次放电容量为1762.1mA·h/g，首次充电容量为1295.1mA·h/g，不可逆容量为467mA·h/g，为首次嵌锂容量的26.5％。较大电流充放电下和450℃下氧化后仍具有较高的首次充放电容量，但循环性能降低。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1纳米碳管概述

1.1.1纳米碳管的结构

1.1.2纳米碳管的制备方法

1.1.3纳米碳管的填充

1.1.4纳米碳管的性质及应用

1.2纳米碳管在锂离子电池中的应用

1.2.1锂离子电池负极材料的研究现状

1.2.2纳米碳管作为锂离子电池负极材料的研究现状

1.3本研究的主要内容

第二章实验原理与实验

2.1基本原理

2.1.1熔盐电解法制备纳米碳管的机理

2.1.2锡填充纳米碳材料的制备机理

2.2实验原料及设备

2.3实验内容与实验过程

2.3.1熔盐电解法制备碳纳米材料

2.3.2熔盐电解法制得的纳米碳材料的表征

2.3.3锂离子电池的组装及电化学性能测试

第三章熔盐电解法制备纳米碳材料的结果与讨论

3.1 LiCl熔盐体系制备纳米碳材料的结果分析

3.1.1石墨棒直径对电解所制备的碳材料的影响

3.1.2温度对电解所制备的碳材料的影响

3.1.3输入电压对电解所制备的碳材料的影响

3.1.4恒电流电解对电解所制备的纳米碳材料的影响

3.2 LiCl(63wt％)+NaCl(27wt％)熔盐体系制备纳米碳材料的结果分析

3.2.1温度对电解所制备的碳材料的影响

3.2.2输入电压对电解所制备的碳材料的影响

3.2.3优化实验及其电解制备碳材料的检测结果与分析

3.3空气氧化法纯化纳米碳材料

3.3.1氧化时间对纳米碳材料纯化结果

3.3.2 SEM及EDS检测结果

3.4小结

第四章锡填充纳米碳材料的制备

4.1 LiCl(99wt％)+SnCl2(1wt％)熔盐体系制备锡填充纳米碳材料

4.1.1输入电压对电解制备的纳米碳材料的影响

4.1.2恒电流电解模式下电流强度对纳米碳材料的影响

4.2 LiCl(62.3wt％)+NaCl(26.7wt％)+SnCl2(1wt％)熔盐体系制备纳米碳材料的结果分析

4.2.1恒电压电解模式下电解电压对碳材料的影响

4.2.2优化实验及其制备的碳材料的测试结果

4.3 小结

第五章纳米碳材料作锂离子电池负极的测试结果与分析

5.1不同熔盐体系下制备的碳纳米材料作为电极活性物质的充放电行为

5.2大电流充放电对碳纳米材料充放电性能的影响

5.3碳材料纯化后的充放电性能研究

5.4循环伏安法研究纳米碳材料的充放电机理

5.5小结

第六章结论

参考文献

致谢