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掺硼呋喃树脂炭用作锂离子电池负极材料的研究

作　者: 林珍艳
导　师: 张红波
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 锂离子电池 负极材料 呋喃树脂 掺硼 高温纯化热处理
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


目前,炭材料仍然是最主要的商业化锂离子电池负极材料。为了满足更高的需求,探索新型炭负极材料成了研究的热点。本文以糠酮型呋喃树脂为碳源,硼为促进石墨化、改善电化学性能的掺杂元素,先炭化制得低温掺硼树脂炭,然后分别在氩气的保护下和含氯气体的作用下进行高温(2000～3000℃)热处理,分别制得了电化学性能较好的高温热处理掺硼树脂炭和高温纯化热处理掺硼树脂炭。研究表明,低温树脂炭为多孔无定形炭,当硼酸添加量为5wt%时,其电化学性能得到了一定的改善,首次脱锂容量为378.2mAh/g,循环50次后容量保持率为86.8%,但还存在不可逆容量大、电压滞后严重等缺点。随着热处理温度的提高,高温热处理树脂炭的有序度提高,晶粒尺寸增大；掺硼能更有效的促进树脂炭有序度的提高和晶粒尺寸的增大。高温纯化热处理可有效除去树脂炭中的杂质,与高温热处理相比,更有利于石墨微晶(特别是La)的生长和有序度的提高。随着热处理温度的提高,高温热处理树脂炭的可逆容量增加,同时不可逆容量也增加,导致库伦效率较低(<80%)；掺硼能更有效的提高树脂炭的可逆容量,但随着热处理温度的提高,掺硼树脂炭的不可逆容量较未掺硼树脂炭的更大。与高温热处理树脂炭相比,高温纯化热处理树脂炭的首次库伦效率提高(>7%)、不可逆容量减小(>30mAh/g),可逆容量增加(～57mAh/g),循环50次后无容量衰减,但由于平均粒径和微晶尺寸增大,其倍率性能有所降低。高温纯化热处理的掺硼树脂炭电化学性能最好,循环50次后可逆容量高达361.8mAh/g,0.5C倍率放电容量为317mAh/g,已达到目前商业化人造石墨类负极材料的水平。图33幅,表9个,参考文献89篇。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-25
  1.1 锂离子电池的发展简史和应用  9-10
  1.2 锂离子电池工作原理  10-11
  1.3 锂离子电池的优缺点  11-12
  1.4 锂离子电池炭负极材料  12-20
    1.4.1 不可逆容量产生的原理  13
    1.4.2 石墨类炭材料的嵌锂行为和电化学性能  13-15
    1.4.3 无定形炭材料的嵌锂行为和电化学性能  15-19
    1.4.4 其他炭材料的电化学性能  19-20
  1.5 锂离子电池炭负极材料的改性研究动态  20-23
    1.5.1 掺杂改性  20-22
    1.5.2 表面处理  22-23
  1.6 本文的选题依据及主要研究内容  23-25
    1.6.1 选题依据  23-24
    1.6.2 主要研究内容  24-25
2 实验部分  25-29
  2.1 实验药品和仪器  25-26
  2.2 实验方法  26-29
    2.2.1 材料制备  26-27
    2.2.2 材料表征  27
    2.2.3 电池的装配和电化学性能测试  27-29
3 低温掺硼呋喃树脂炭用作锂离子电池负极材料的研究  29-36
  3.1 掺硼呋喃树脂的热重分析  29-30
  3.2 掺硼对呋喃树脂炭物相组成、晶体结构的影响  30
  3.3 惨硼对咲喃树脂炭比表面积和孔结构的影响  30-32
  3.4 掺硼对呋喃树脂炭电化学性能的影响  32-35
    3.4.1 掺硼对呋喃树脂炭恒电流充放电性能的影响  32-34
    3.4.2 掺硼对呋喃树脂炭循环性能的影响  34-35
  3.5 本章小结  35-36
4 高温热处理掺硼树脂炭用作锂离子电池负极材料的研究  36-52
  4.1 高温热处理对掺硼树脂炭的微观结构和表面形貌的影响  36-42
    4.1.1 高温热处理对掺硼树脂炭物相组成的影响  36-37
    4.1.2 高温热处理掺硼树脂炭的X射线光电子能谱分析  37-39
    4.1.3 高温热处理对掺硼树脂炭近表面结构和微晶结构的影响  39-41
    4.1.4 高温热处理对掺硼树脂炭表面形貌的影响  41-42
  4.2 高温热处理对掺硼树脂炭电化学性能的影响  42-50
    4.2.1 恒电流充放电性能分析  42-45
    4.2.2 循环性能分析  45-46
    4.2.3 循环伏安分析  46-48
    4.2.4 倍率性能和电化学阻抗分析  48-50
  4.3 本章小结  50-52
5 高温纯化热处理树脂炭用作锂离子电池负极材料的研究  52-64
  5.1 高温纯化热处理对树脂炭的组成和表面化学成分的影响  52-53
  5.2 高温纯化热处理对树脂炭的近表面结构与微晶参数的影响  53-55
  5.3 高温纯化热处理对树脂炭表面形貌的影响  55-56
  5.4 高温纯化热处理对树脂炭电化学性能的影响  56-62
    5.4.1 高温纯化热处理对树脂炭首次充放电性能的影响  56-58
    5.4.2 高温纯化热处理对树脂炭循环性能的影响  58-59
    5.4.3 高温纯化热处理对树脂炭循环伏安行为的影响  59-60
    5.4.4 高温纯化热处理对树脂炭倍率性能和电化学阻抗特性的影响  60-62
  5.5 本章小结  62-64
6 结论  64-66
参考文献  66-73
攻读学位期间主要的研究成果  73-74
致谢  74

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 蓄电池
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