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锂离子电池负极材料—碳化钙骨架碳的制备及改性研究

作　者: 李姣姣
导　师: 王先友
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理化学
关键词: 锂离子电池负极材料碳化钙骨架碳掺杂氧化
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

碳化物骨架碳是一种新型多孔碳材料,具有制备成本低、孔径分布窄、比表面积大、孔径大小可控和环保无毒等优点,广泛地用于气体储存、摩擦磨损和超级电容器等各个领域。本文首次将低温制备的碳化钙骨架碳作为锂离子电池负极材料,研究了制备温度对其电化学性能的影响,同时为了改善碳化钙骨架碳的电化学性能,分别对碳化钙骨架碳进行了锂掺杂和双氧水氧化处理,研究了改性对材料性能的影响。首先,以碳化钙为前躯体,二氧化锰和浓盐酸反应制备的新鲜氯气为刻蚀剂,在较低温下(400℃～700℃)制备碳化钙骨架碳(calcium carbide-derived-carbon,简称CCDC),并研究了制备温度对CCDC性能的影响。实验结果表明,制备的CCDC为无定形多孔碳材料,随着制备温度从400℃上升至700℃,CCDC的比表面积由658 m2/g降至201 m2/g,平均孔径由3.766 nm增至3.842 nm。其中,600℃下制备的CCDC具有最佳的电化学性能,在0.1 C倍率下,首次充电比容量为335.4mAh/g,30次循环后比容量衰减为266.8 mAh/g。然后,为进一步降低CCDC的不可逆容量,提高它的电化学性能。分别以氢氧化锂和碳酸锂为锂源,对CCDC进行掺杂,研究了锉掺杂量对CCDC结构及电化学性能的影响。结果表明,锂的加入并不会明显改变CCDC的结构,但CCDC的首次不可逆容量明显下降,并且首次充电比容量明显有所提高。当掺杂氢氧化锂的质量分数为4%时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5 C倍率下为350.9 mAh/g,循环50次后充电比容量为266.7 mAh/g,容量保持率为76.0%；当掺杂碳酸锂的质量分数为2%时,CCDC的充电比容量提高最多,在0.5 C充放电倍率下为355.7mAh/g,循环50次后充电比容量为275.6 mAh/g,容量保持率为77.5%。最后,用双氧水为氧化剂对CCDC进行氧化,以达到提高CCDC充电比容量的目的。分别研究了双氧水浓度、氧化温度和氧化时间三个因素对双氧水氧化效果的影响。结果表明,采用2mol/L双氧水在60℃下氧化4h得到的CCDC具有最佳的电化学性能。处理后CCDC在0.5C倍率下首次充电比容量由氧化前的306.7mAh/g提高到347.4mAh/g,循环50次后,充电比容量保持在279.4mAh/g,容量保持率为80.5%。氧化处理后CCDC的电化学性能有所提高,主要与CCDC表面结构改变有关。氧化处理后,在CCDC表面生成大量微孔和锂离子通道,为锂离子在CCDC中嵌入/脱嵌提供更多的通道,同时也增加了CCDC的储锂位置；同时,在CCDC表面生成一层氧化物膜,这有利于CCDC形成较好的SEI膜,改善其电化学性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-23
  1.1 锂离子电池概述  9-11
    1.1.1 锂离子电池的诞生及发展过程  9-10
    1.1.2 锂离子电池结构及工作原理  10-11
  1.2 锂离子电池负极材料的分类及研究进展  11-15
    1.2.1 碳基负极材料  12-13
    1.2.2 非碳基负极材料  13-15
  1.3 碳负极材料的改性  15-18
    1.3.1 引入非金属  16
    1.3.2 引入金属  16-17
    1.3.3 表面处理  17-18
  1.4 碳化物骨架碳的研究进展与应用  18-21
    1.4.1 碳化物骨架碳的研究进展  18-19
    1.4.2 碳化物骨架碳的应用  19-21
  1.5 本课题意义及主要研究内容  21-23
    1.5.1 课题意义  21
    1.5.2 研究内容  21-23
第2章实验方法与原理  23-27
  2.1 实验仪器与实验药品  23-24
    2.1.1 主要实验仪器与设备  23-24
    2.1.2 主要实验药品  24
  2.2 材料表征  24-25
    2.2.1 X射线衍射分析  24
    2.2.2 扫描电镜分析  24-25
    2.2.3 粉末红外分析  25
    2.2.4 透射电镜分析  25
    2.2.5 孔隙结构分析  25
  2.3 材料的电化学性能测试  25-27
    2.3.1 电极制备  25
    2.3.2 扣式模拟电池的组装  25
    2.3.3 电池充放电测试  25-26
    2.3.4 交流阻抗测试  26-27
第3章制备温度对碳化钙骨架碳性能的影响  27-35
  3.1 引言  27
  3.2 材料的制备  27-28
  3.3 物相分析  28
  3.4 形貌分析  28-31
  3.5 电化学性能测试  31-33
  3.6 本章小结  33-35
第4章锂掺杂对碳化钙骨架碳性能的影响  35-44
  4.1 引言  35
  4.2 氢氧化锂掺杂对CCDC性能的影响  35-39
    4.2.1 材料的制备  35
    4.2.2 物相分析  35-36
    4.2.3 形貌分析  36-37
    4.2.4 电化学性能测试  37-39
  4.3 碳酸锂掺杂对CCDC性能的影响  39-42
    4.3.1 材料的制备  39
    4.3.2 物相分析  39-40
    4.3.3 形貌分析  40
    4.3.4 电化学性能测试  40-42
  4.4 本章小结  42-44
第5章氧化剂对碳化钙骨架碳性能的影响  44-53
  5.1 引言  44
  5.2 材料的制备  44
  5.3 结果与讨论  44-52
    5.3.1 双氧水浓度的选择  44-46
    5.3.2 反应温度的选择  46-47
    5.3.3 反应时间的选择  47-48
    5.3.4 最佳氧化条件下CCDC的性能分析  48-52
  5.4 本章小结  52-53
第6章总结与展望  53-55
参考文献  55-61
致谢  61-62
攻读硕士期间公开发表的论文  62-63
个人简历  63

锂离子电池负极材料—碳化钙骨架碳的制备及改性研究

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