基于碳材料的鋰離子電池負極材料性能研究.pdf

1、智能手機、筆記本電腦等便攜式和智能式可移動電子設備，以及純電動汽車和混合動力汽車的快速發(fā)展，需要開發(fā)出能量密度和功率密度高且循環(huán)壽命長的鋰離子電池。目前商用的鋰離子電池，其負極材料大多為碳材料，較低的比容量、較差的大電流循環(huán)性能等已嚴重制約了它們在能源存儲方面的發(fā)展。但是，與其他負極材料相比，碳納米材料具有電導率高、比表面積大、機械性能良好、來源豐富、制備簡單、價格低廉等優(yōu)點。因此，通過納米化和復合化改進碳材料的儲鋰性能一直是鋰離子電池

2、負極材料研究的熱點。
　　本論文以提高鋰離子電池性能為目的，以碳納米材料及其復合材料為研究對象，采用多種實驗方法制備出基于碳納米纖維和石墨烯的復合材料，對材料的結構、形貌以及作為鋰離子電池負極材料的電化學行為進行了較為系統(tǒng)的表征，研究了材料的結構和形貌等對其電化學性能的影響。
　　具體的研究內(nèi)容和得到的結論如下：
　　1.分別以乙炔為碳源、咪唑為氮源，用化學氣相沉積法在不銹鋼襯底上生長了具有珊瑚狀結構的氮摻雜和未摻雜的

3、碳納米纖維（CNFs），研究了 N摻雜對CNFs的形貌、結構及其作為鋰離子電池負極材料的電化學性能的影響。與未摻雜的CNFs電極相比，N摻雜CNFs電極具有優(yōu)越的電化學性能。在200 mA g-1的電流密度下循環(huán)150次，可逆放電比容量為862 mAh g-1；當電流密度增加到1000 mA g-1時，循環(huán)100次的可逆比容量仍保持在400 mAh g-1。實驗結果表明，雜質(zhì)元素 N的引入使 CNFs產(chǎn)生更多的缺陷和更大的比表面積，不僅

4、為鋰離子的存儲提供空間，而且還增加了電化學活化點，進而提高了電極的儲鋰性能。
　　2.采用浮動催化劑化學氣相沉積法在泡沫銅襯底上制備了具有互聯(lián)結構的CNFs，利用碳與高錳酸鉀的氧化還原反應，在CNFs表面生長了Mn3O4納米片，形成了CNFs@Mn3O4核殼結構。直接作為鋰離子電池電極，表現(xiàn)出高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在100 mA g-1的電流密度下循環(huán)100次，電池的比容量仍保持在1178 mAh g-1。即使在

5、電流密度5000 mA g-1下循環(huán)100次，電極的可逆放電比容量仍有300 mAh g-1。優(yōu)異的電化學性能歸因于合理設計的核殼結構，具有良好導電性的CNFs內(nèi)核不僅減小了電極的電阻，均勻地為Mn3O4供給電荷，還為Mn3O4提供了穩(wěn)定的結構支撐，有效地緩解了體積變化所形成的應力。核殼結構還極大地縮短了鋰離子傳輸路徑，且有利于電子快速傳輸。
　　3.采用液氮快速冷凍并結合真空冷凍干燥和熱處理工藝，組裝了自支撐結構的石墨烯包覆 S

6、i納米顆粒復合材料，研究了組分比對材料形貌、結構和電化學性能的影響，探討了石墨烯對 Si材料電化學反應和界面反應的作用機理。儲鋰性能測試表明，組分比優(yōu)化的復合材料（RGO:Si=1:1）具有高的比容量、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在210 mA g-1的電流密度下循環(huán)300次，可逆放電比容量保持在1482 mAh g-1。優(yōu)越的儲鋰性能歸因于石墨烯與Si納米顆粒的協(xié)同作用，石墨烯不僅起到了導電和分散活性材料的作用，還保護了 Si材料結構

7、的完整性，有效地避免了SEI膜在Si材料上的直接形成。
　　4.結合真空抽濾和真空冷凍干燥方法，制備了自支撐的柔性多孔石墨烯包覆Si納米顆粒復合膜，負載的Si納米顆粒面密度為0.65 mg cm-2。直接作為鋰離子電池電極，免去了傳統(tǒng)電極制備所必須的導電劑和粘結劑。具有柔性的石墨烯包覆層不僅提高了 Si納米顆粒的導電性，還有利于保持材料結構的完整性。電化學測試結果表明，電極具有優(yōu)異的儲鋰性能。當電流密度為210 mA g-1時，電