锂碘二次电池用碘/碳复合材料的制备及电化学性能研究

摘要

I2/I-电对具有快速的氧化还原反应速率和良好的可逆性能，将其应用于锂离子电池和电容器，能够得到高的倍率性能和比容量。多孔碳材料具有较大的比表面积和较小的孔径，丰富的孔结构能够吸附碘单质及产物碘化锂和多碘化锂，限制其溶解。而且利用其优越的导电性与碘复合，可以提高复合材料的电导率。论文分别采用热处理和球磨的方法合成了不同碘含量的碘/碳复合材料，运用TG、XRD、SEM、TEM等多种测试手段进行表征，同时对其电化学性能和电极反应机理进行了研究。
　　 采用热处理法将碘与碳纳米管复合得到碘/碳纳米管复合材料。在循环伏安曲线上出现了I2/I3-和I3-/I-两对氧化还原峰，并具有良好的循环可逆性。在2C时初始容量为133.7mAh/g，由于活性物质的溶解，前十周容量衰减较快。碳纳米管良好的导电性和碘离子电对之间的快反应使得材料具有良好的倍率性能。在100C倍率下放电容量与2C时接近，循环600周仍稳定在94.5mAh/g。碳纳米管8nm通道为电解液离子扩散提供了足够的通道。但同时介孔较弱的吸附作用不能完全限制I2和LiI溶于电解液中，造成容量衰减和穿梭效应，使电池自放电严重。
　　 为了改进复合材料的电化学性能，选用微介孔材料导电炭黑作为碳源，并比较了球磨和热处理两种方法对电池性能的影响。球磨法得到的材料在2C时具有稳定的放电容量，但100C性能较差，300周后迅速衰减，这是因为球磨的材料部分团聚，阻碍了离子扩散的通道。热处理法制备的复合材料中碘分散均匀，在2C倍率下放电具有较高的容量和库仑效率。该材料具有优异的高倍率性能，在100C下循环1000周后容量依然保持在154.4mAh/g。这表明导电炭黑的微孔能够限制碘的溶解，使电化学反应在孔内进行，介孔的存在又为离子扩散提供了足够的通道。多孔碳的电容性质与电化学反应的共同作用，使得锂碘二次电池具有高比能和高比功率的特征。