聚酰亚胺在锂离子电池负极材料中的应用及其电化学性能研究

摘要

在提倡绿色可持续发展，秉承“绿水青山就是金山银山”发展的今天，新能源的研发与应用将是一个不可扭转的趋势。太阳能电池、锂离子电池、燃料电池与微生物电池作为新兴能源，将在能源供给、废物利用、绿色环保等方面发挥出巨大的潜力，为人们的日常生活提供了便利。锂离子电池作为新型绿色能源的典型代表，将成为21世纪最具有发展前景的工业支柱之一。　　作为锂离子电池材料组成重要部分之一的锂电池负极材料，目前商业化负极材料大多采用储锂容量较低的石墨材料，其理论容量仅为372 mAh g-1，远远不能满足人们对锂离子电池高容量的需求。与碳材料相比，硅基、锡基材料具有远高于碳材料的储锂容量，但是这类负极材料在充放电时会伴随着巨大的体积变化，并且活性材料极易粉化脱落，造成容量急速衰减，循环寿命较短。因此，研究高比容量、高能量密度、高稳定性、高输出功率、低成本的负极材料仍然是锂离子电池研究热点。而有机材料作为新兴的锂电负极材料，具有成本低廉、理论容量高、结构可控、环境友好等优点，近年来得到广泛关注。聚酰亚胺作为一种典型的共轭羰基材料，受到较大关注。　　本文通过聚酰亚胺在锂离子电池中的不同应用，缓解了硅负极材料的体积膨胀问题，并通过引入导电材料来解决聚酰亚胺作为电极材料时的导电性问题。本文的具体工作主要包括以下两个部分：　　（1）将柔性聚酰亚胺作为硅负极材料的粘结剂，利用环糊精热解法造孔改善硅电极的循环稳定性，缓解充放电过程中硅材料的体积膨胀问题。通过红外（FT-IR）、XRD以及SEM表征， 证明本实验成功制备出以PI为粘结剂的多孔硅负极材料，并探讨了粘结剂含量对于硅负极的电化学性能影响。将其组装成电池测试其电化学性能。其中多孔结构的PI-Si-20 %复合电极首次库伦效率为74.62 %，在200 mA g-1电流密度下循环100圈后比容量为1285.42 mAh g-1，容量保持率为77.98 %，循环性能优异。并且在电流密度800 mA g-1的条件下复合电极的比容量仍有574.35 mAh g-1。由此可见，聚酰亚胺对于硅材料的体积膨胀具有良好的适应能力，有望进一步研究应用。　　（2）采用原位聚合、化学亚胺化和高温还原法制备了聚酰亚胺-还原氧化石墨烯纳米复合材料。通过TEM、SEM表征可以清晰地观察到PI-GO复合材料中，石墨烯片层结构表面均匀地包裹了一层聚酰亚胺聚合物，并且包裹完全，证明石墨烯单层结构已经完整的嵌入在聚酰亚胺聚合物中。当测试电流密度为 100 mA g-1时，该复合材料电极的首次库伦效率均保持在70 %以上，证明电极的首次利用率较高。其中还原温度为500℃ 时制备的PI- rGO复合材料的循环性能最好，比容量为514.9 mAh g-1，并且循环100圈后容量保持率为82.63 %。即使在2 A g-1的高电流密度下，该复合电极仍具有226.5 mAh g-1的放电比容量，具有优异的倍率性能。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1引言

1.2 锂离子电池概述

1.2.1 锂离子电池的发展历程

1.2.2 锂离子电池的工作原理及结构

1.2.3 锂离子电池的前景与挑战

1.3 锂离子电池负极材料发展概述

1.3.1石墨材料

1.3.2硅基材料

1.3.3纳米碳材料

1.4聚酰亚胺在电极材料中的应用

1.4.1 聚酰亚胺简介

1.4.2 高性能粘结剂

1.4.3 有机电极材料

1.5 本论文的研究意义及研究内容

1.5.1 本论文的研究意义

1.5.2 研究内容

第二章 以聚酰亚胺为粘结剂的多孔硅电极的制备及其电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品及仪器

2.2.2 样品的制备

2.2.3 材料表征

2.2.4 电化学性能测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 粘结剂的选择

2.3.2 结构表征

2.3.3 结剂含量对硅电极化学性能的影响

2.4 本章小结

第三章 聚酰亚胺/还原氧化石墨烯（PI-rGO）片层纳米结构复合材料的制备及其电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品及仪器

3.2.2 PI-rGO片层纳米结构复合材料的制备

3.2.3 材料表征

3.2.4 电化学性能测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 复合材料的形貌分析

3.3.2 复合材料的结构表征

3.3.3 复合材料的电化学性能研究

3.4 本章小结

第四章 全文总结及展望

4.1 全文总结

4.2 展望

参考文献

硕士期间研究成果目录

致谢