用于电化学能量存储的三维碳电极材料

摘要

三维混合导电网络可以极大提高电化学过程中电荷迁移效率从而提高器件功率密度，而三维网络的存在也能够缓解电极体积膨胀提高电极结构稳定性从而实现器件的长寿命循环。碳具有优异的化学稳定性、导电性和结构可塑性，是作为构筑三维导电网络的优异基材。然而制备具有这类结构的碳基电极通常需要复杂的化学过程，并且受限于其服务的特定电化学活性物质。此外，碳自身的化学结构也极大的决定了电极的电化学性质。本论文以此为出发点，通过独立有效的制备并调控三维碳材料的结构，实现了电池的能量密度、功率密度和循环寿命的同步提升。所取得的主要研究成果总结如下:
　　1:通过构筑复合结构的方法实现具有多级孔尺寸的三维碳导电网络。利用直接生长在泡沫石墨大孔中的碳纳米管阵列(CNT-UGF)，构建了具有层次孔结构的碳纳米管-泡沫石墨三维导电网络。CNT-UGF具有完整、连续的表观结构、12.4mg cm-3的密度和95wt.％的碳含量。而碳纳米管阵列的存在使得CNT-UGF具有250m2g-1的比表面积和长达百微米量级的纳米孔道，可同时用做锂硫电池正、负极的集流体。用CNT-UGF负载单质硫和金属锂分别作为全电池的正、负极，该电池能够在12C的高倍率下保持860mAhg-1的比容量，并在1C的倍率下，循环400次后，保持80％的初始容量。
　　2:通过改变金属模板的孔径实现对三维碳材料孔结构的调整。利用镍微米线自组装得到的三维骨架作为模板，通过化学气相沉积法得到了三维共价连接的石墨微米管网络。这种三维碳材料的孔径有数十微米大小，比表面积约12m2g-1。将这种具有微米孔道的骨架结构用作金属锂的集流体时，由于比表面积适中，能够同时限制锂枝晶和SEI的形成。因此，电极可以在可逆面容量为10mA h cm-2，金属锂利用率91％的条件下，循环3000小时而没有发生因锂枝晶生长而引起的短路。即使在高达10mA cm-2的电流密度下，金属锂负极仍可实现10mA hcm-2的面容量。
　　3:通过对三维碳纤维表面进行官能化修饰，改变了其亲疏锂性，将锂合金注入到三维导电的网络中，得到了金属锂合金/碳纤维复合电极。解决了金属锂负极循环过程中巨大的相对体积变化问题，同时三维多孔电极能够降低有效电流密度，增加了金属锂沉积的均一性，实现了金属锂无枝晶的沉积。该锂合金/碳纤维复合电极能够在12mA h cm-2的高面容量下，稳定循环1000小时而没有发生短路。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池集流体

1．3 三维碳材料集流体

1．3．1 共价结合的三维碳材料

1．3．2 非共价结合的三维碳材料

1．4 本论文研究思路与内容

参考文献

第二章 实验仪器与方法

2．1 实验主要药品

2．2 实验方法及仪器

2．2．1 材料合成设备

2．2．2 材料研究方法

2．2．3 电池组装

2．2．4 电池性能测试

第三章 具有多级孔结构的碳纳米管-泡沫石墨三维集流体

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料制备

3．2．2 材料物性表征

3．2．3 材料电化学性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 CNT生长参数的优化

3．3．2 CNT-UGF的结构表征

3．3．3 S／CNT-UGF的物性表征

3．3．4 S／CNT-UGF的电化学性能测试

3．3．5 Li／CNT-UGF的物性表征

3．3．6 Li／CNT-UGF的电化学性能测试

3．3．7 Li／CNT-UGF‖S／CNT-UGF全电池的电化学性能测试

3．4 本章小结

参考文献

第四章 三维共价连接的石墨微米管网络

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料制备

4．2．2 材料物性表征

4．2．3 材料电化学性能表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 石墨微米管的物性表征

4．3．2 石墨微米管的电化学性能测试

4．3．3 GT-scaffold对锂枝晶抑制作用的机理分析

4．3．4 Li-GT-scaffold‖LiFePO4全电池性能测试

4．4 本章小结

参考文献

第五章 金属锂合金／碳纤维复合电极

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料制备

5．2．2 材料物性表征

5．2．3 材料电化学性能表征

5．3 结果与讨论

5．3．1 LixM／Li的物性表征

5．3．2 LixAg／Li-CF的物性表征

5．3．3 LixM／Li的电化学性能测试

5．3．4 LixAg／Li高库伦效率和循环稳定性的机理分析

5．3．5 LixAg／Li-CF的电化学性能测试

5．3．6 LixAg／Li‖FePO4全电池电化学性能测试

5．4 本章小结

参考文献

总结与展望

在读期间发表的学术论文

致谢