基于NIPS法三维多孔铜集流体的制备及储能应用研究

摘要

传统锂离子电池用石墨负极的理论比容量仅为372 mAh g-1，成为限制锂离子电池性能提升的关键之一，为提高电极的比容量，研究者主要集中于开发新型高性能纳米电极活性材料。但纳米活性材料在组装过程中易发生团聚现象，且高负载下造成电极中离子扩散阻力急剧增加，限制了其性能发挥。因此，开发适用于纳米电极材料组装的新工艺和新技术是实现高性能纳米材料应用的前提。本论文以制备三维(3D)多孔铜集流体为基础，以纳米石墨为例，开发高负载、高性能纳米复合电极新技术。研究结果如下: (1)采用NIPS法和固相烧结工艺制备三维多孔铜集流体。通过调整铸膜液配比获得柔韧的Cu掺杂多孔PNA膜生坯;然后将生坯在空气中高温氧化去除PNA获得氧化铜薄膜，氧化铜薄膜继承了PNA膜的三维多孔结构;最后调控还原温度获得孔结构可控的柔韧多孔铜膜集流体。其最优工艺为:600℃下1h氧化及1h还原。 (2)采用超声涂覆和轧制工艺制备高负载纳米材料复合电极。通过调控活性物质浆料浓度、电极涂覆方法及轧制工艺，获得高密度、高负载、高容量复合电极制备新技术。 (3)电化学性能测试表明:以制备的3D多孔铜膜为集流体时，复合电极在较高负载量(4.4mg cm-2、3.2mg cm-2和2.7mg cm-2)下具有优异的电化学性能，在0.1C的电流密度下其比容量分别为868.4 mAh g-1、970.8 mAh g-1和845.8 mAhg-1，即使在2.0C的电流密度下其比容量仍为185 mAh g-1、247.9 mAh g-1和231.3mAh g-1，循环150圈后，其比容量分别为661.6 mAh g-1、593.8 mAh g-1和601.9mAh g-1，容量保持率分别为77.1％、61.2％和71.2％，且3DP-42Cu/BG复合电极其体积比容量高达415.0 mAh cm-3。而以铜箔为集流体时，当负载量达到3 mgcm-2时，其比电容会迅速衰减，无法满足使用要求，说明本论文所开发的新技术具有传统方法所无法比拟的优势。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2锂离子电池概述

1．2．1锂离子电池的简介及发展历程

1．2．2锂离子电池的特点

1．2．3锂离子电池的组成及工作原理

1．3锂离子电池正极材料研究现状

1．4锂离子电池负极材料研究现状

1．4．1碳类负极材料

1．4．2合金类负极材料

1．4．3金属氧化物负极材料

1．4．4其他负极材料

1．5．2三维多孔集流体的优势

1．5．3多孔金属材料的制备方法

1．6本论文的主要研究内容和意义

1．6．1论文选题依据及研究目的

1．6．2论文研究内容及意义

第二章实验材料、制备方法与仪器表征

2．1实验药品与设备

2．1．1实验药品

2．1．2实验设备

2．2实验方法

2．2．2石墨纳米颗粒的制备

2．2．3复合电极的制备

2．2．4电池的组装

2．3材料性能表征

2．4电化学性能测试

第三章3D连续多孔铜膜的可控制备及其工艺研究

3．1引言

3．2．2铸膜液配比的优化

3．3固相烧结法制备3D多孔同膜的研究

3．3．1固相烧结工艺的确定

3．3．2烧结温度对平板膜的影响

3．3．3烧结气氛对平板膜的影响

3．3．4控温程序对平板膜的影响

3．4最优化参数所制备3D多孔铜膜的形貌和结构表征

3．4．1 XRD表征

3．4．2 SEM表征

3．5本章小结

第四章3D多孔铜负载纳米级石墨复合电极的制备及电化学性能研究

4．1引言

4．2石墨纳米粒子的形貌结构表征与电化学性能测试

4．2．1石墨纳米粒子形貌结构表征

4．2．2电化学性能测试

4．3 3D多孔铜负载纳米级石墨复合电极的制备工艺研究

4．3．1浆料粘度对活性物质负载量的影响

4．3．2涂覆工艺对活性物质负载量的影响

4．3．3制备复合电极的最优化参数

4．4 3D多孔铜负载纳米级石墨复合电极的轧制工艺研究

4．5最优化参数制备复合电极的表面形貌和热重表征

4．5．1制备复合电极的最优化参数

4．5．2 SEM及Mapping表征

4．5．4 TG表征

4．6最优化参数制备复合电极的电化学性能表征

4．6．1循环伏安曲线和恒流充放电曲线

4．6．2循环性能

4．6．3倍率性能

4．6．4电化学交流阻抗测试

4．7本章小结

5．1结论

5．2意义

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢